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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung eines Drehmoments an einem Robotergelenk sowie ein Robotergelenk, umfassend eine solche Vorrichtung.
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Aus der
GB 2 164 317 A geht ein Gelenk für einen Roboterarm hervor, wobei das Gelenk zwei Abtriebselemente und eine Welle aufweist, wobei die von einem Motor angetriebene Welle zum Antreiben eines Abtriebselements relativ zum anderen Abtriebselement um die Achse der Welle vorgesehen ist. Ferner ist eine elektromagnetische Bremse zum Bremsen der Welle vorgesehen, die Mittel zum manuellen Lösen der Bremse und Mittel zum Ermöglichen einer manuellen Drehung der Welle, wenn die Bremse gelöst wird, aufweist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kompakte Vorrichtung zur Einstellung eines Drehmoments an einem Robotergelenk zu schaffen, die ein Ausgleichen von Lasten in beliebigen Positionen des Roboterarms im Raum ermöglicht. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einstellung eines Drehmoments an einem Robotergelenk umfasst eine selbsthemmende Übersetzungsstufe, einen Rampenmechanismus, eine Energiespeichereinheit sowie ein Drehgelenk, wobei der Rampenmechanismus im Lastfluss zwischen der Übersetzungsstufe und dem Drehgelenk angeordnet ist sowie ein erstes und zweites Rampenelement mit mehreren axial dazwischen angeordneten Wälzkörpern umfasst, wobei das erste Rampenelement gegenüber der Übersetzungsstufe rotatorisch abgestützt bzw. drehfest damit verbunden ist und das zweite Rampenelement sowie die Energiespeichereinheit drehfest mit dem Drehgelenk verbunden bzw. rotatorisch demgegenüber abgestützt sind, wobei jeder Wälzkörper entlang einer jeweiligen am ersten und zweiten Rampenelement ausgebildeten rampenförmigen Laufbahn geführt ist, wobei das erste Rampenelement bei einer Betätigung der Übersetzungsstufe in eine Rotationsbewegung versetzbar ist, sodass die Wälzkörper entlang der jeweiligen rampenförmigen Laufbahn abrollen und das zweite Rampenelement in eine axiale Bewegung zur Einstellung einer axialen Vorspannkraft der axial zwischen dem Drehgelenk und dem zweiten Rampenelement angeordneten Energiespeichereinheit zu versetzen, um an dem mit dem zweiten Rampenelement und der Energiespeichereinheit drehfest verbundenen Drehgelenk ein Drehmoment einzustellen.
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Das Robotergelenk weist eine Antriebseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, einen Roboterarm des Roboters zu bewegen sowie die relative Winkellage von zwei über das jeweilige Robotergelenk miteinander verbundenen Roboterarmsegmenten zueinander zu verstellen.
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In Abhängigkeit der Position und Lage eines Roboterarms im dreidimensionalen Raum wirken stets variable Lasten auf den Roboterarm ein, insbesondere aus dem Eigengewicht der einzelnen Segmente des Roboterarms. Je nach Position der Roboterarmsegmente zueinander sowie der Anordnung im Raum, das heißt in Abhängigkeit eines wirksamen Hebelarms vergrößert oder verkleinert sich die auf das Robotergelenk einwirkende Belastung aus dem Eigengewicht der Bauteile während des Betriebs. Am Robotergelenk wirkt somit ein variables Drehmoment, das mittels der im Robotergelenk angeordneten Vorrichtung zur Einstellung eines Drehmoments ausgleichbar ist. Mit anderen Worten wird mittels der Vorrichtung ein Drehmoment auf die momentan wirkende Belastung eingestellt, um den Roboterarm in dessen jeweiliger Position zu halten. Durch die Antriebseinheit und die Übersetzungsstufe kann eine Winkellage des Drehgelenks, das um seine Längsachse rotierbar ist, eingestellt werden, wobei über den Rampenmechanismus und die Energiespeichereinheit insbesondere eine Eigenlast und gegebenenfalls auch eine Nutzlast kompensierbar ist.
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Sowohl die Antriebseinheit zum Antrieb des Roboterarms als auch die Vorrichtung sind im jeweiligen Robotergelenk integriert. Unter einem Antrieb des Roboterarms ist zu verstehen, dass Roboterarmsegmente des Roboterarms über die Antriebseinheit um das Robotergelenk relativ zueinander verstellt werden.
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Durch das stetige Ausgleichen der am Robotergelenk des Roboters wirkenden Belastung mittels der Vorrichtung ist es möglich, das jeweilige Robotergelenk und insbesondere die Antriebseinheit sowie die Kupplungsvorrichtung schlanker und energiesparend zu gestalten, da die Antriebseinheit nicht permanent bestromt werden muss.
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Darüber hinaus lässt sich das Robotergelenk leicht durch eine Person manuell wegschieben.
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Die Rampenelemente sind koaxial zum Drehgelenk angeordnet und im Wesentlichen scheibenartig ausgebildet, wobei die rampenförmigen Laufbahnen an einander zugewandten Stirnflächen der Rampenelemente ausgebildet sind.
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Insbesondere weist der Rampenmechanismus drei Wälzkörper auf, die jeweils in einer rampenförmigen Laufbahn des ersten Rampenelements sowie einer rampenförmigen Laufbahn des zweiten Rampenelements geführt sind. Anders gesagt sind die rampenförmigen Laufbahnen jedes Rampenelements zur gleichmäßigen Lastübertragung in gleichen Abständen zueinander umlaufend verteilt, wobei die Rampen der Laufbahnen in eine Umfangsrichtung ansteigend bzw. in die dazu entgegengesetzte Umfangsrichtung absteigend ausgebildet sind.
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Die rampenförmigen Laufbahnen sind vorzugsweise mit gleicher Steigung ausgebildet. Dadurch rollen die Wälzkörper bei einer Rotation des ersten Rampenelements mit gleicher Geschwindigkeit ab.
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Bevorzugt weisen die rampenförmigen Laufbahnen der Rampenelemente zumindest teilweise eine Steigung in Form einer linearen Funktion auf. Ein zumindest teilweise gekrümmter Verlauf der Steigung der Laufbahnen ist je nach Anwendungsfall ebenfalls denkbar.
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Die Energiespeichereinheit ist dazu ausgebildet, den Rampenmechanismus gegenüber dem Drehgelenk axial vorzuspannen. Bei Betätigung der selbsthemmenden Übersetzungsstufe erzeugt eine Rotation des ersten Rampenelements ein Rückstellmoment, das aus der axialen Vorspannkraft der Energiespeichereinheit resultiert.
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Vorzugsweise ist die Energiespeichereinheit als Axialfederpaket ausgebildet. Bevorzugt umfasst die als Axialfederpaket ausgebildete Energiespeichereinheit mehrere in Reihe geschaltete Tellerfedern. Mithin bilden die Tellerfedern ein Tellerfederpaket aus, das drehfest mit dem Drehgelenk verbunden ist. Das Tellerfederpaket kann je nach Anwendung eine Federkonstante mit einem konstanten, progressiven oder degressiven Verlauf aufweisen. Alternativ kann auch ein Ölkissen, ein Luftkissen oder eine weitere geeignete, axial vorspannbare Energiespeichereinheit vorgesehen sein.
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Die selbsthemmende Übersetzungsstufe ist vorzugsweise als Schneckenradsatz, bestehend aus einer drehangetriebenen Schneckenwelle und einem damit in Zahneingriff stehenden Schneckenrad, ausgebildet, wobei das Schneckenrad drehfest mit dem ersten Rampenelement verbunden ist. Das Schneckenrad ist koaxial zu den Rampenelementen und dem Drehgelenk angeordnet, wobei das Schneckenrad gegenüber einem Gehäuseteil drehbar gelagert ist.
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Bevorzugt weist das Drehgelenk einen Rohrabschnitt und einen Flansch auf, wobei am Rohrabschnitt Mittel zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung zwischen dem Drehgelenk und dem zweiten Rampenelement sowie der Energiespeichereinheit ausgebildet sind. Der Rohrabschnitt ist derart ausgebildet, dass er zumindest teilweise durch die Vorrichtung hindurchgeführt ist, und somit in dessen Innenraum weitere Bauteile oder elektrische Leitungen zum Betrieb des Roboters aufnehmen kann. Das Drehgelenk ist über den Rohrabschnitt ebenfalls gegenüber dem Gehäuseteil drehbar gelagert und radial abgestützt.
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Ferner bevorzugt ist axial zwischen der Energiespeichereinheit und dem Flansch des Drehgelenks eine Distanzscheibe angeordnet. Die Distanzscheibe ist des Weiteren bevorzugt aus einem gehärteten Material ausgebildet, um eine mechanische Widerstandsfähigkeit der miteinander zusammenwirkenden Bauteile, im Speziellen des Drehgelenks und der Energiespeichereinheit zu verbessern.
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Die Erfindung betrifft einen Roboter, umfassend zumindest ein Robotergelenk mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einstellung eines Drehmoments des Robotergelenks. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Robotergelenk, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Das Robotergelenk verbindet zwei Roboterarmsegmente gelenkig miteinander, wobei die beiden Roboterarmsegmente um eine Drehachse relativ zueinander verstellbar sind. Mehrere Roboterarmsegmente bilden einen Roboterarm des Roboters aus.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt
- 1 eine stark schematische Ansicht eines Roboterarms eines erfindungsgemäßen Roboters,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einstellung eines Drehmoments am Robotergelenk nach 1,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 2, und
- 4 eine schematische Draufsicht auf ein Rampenelement der Vorrichtung nach den 2 und 3.
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Gemäß 1 ist ein Roboterarm 13 eines - hier nur teilweise dargestellten - Roboters stark schematisiert und vereinfacht gezeigt. Der Roboterarm 13 weist vorliegend ein horizontal angeordnetes Robotergelenk 1 mit einem darüber gelenkig verbundenen ersten und zweiten Roboterarmsegment 8a, 8b auf. Während des Betriebs des Roboters oder im Stillstand wirken auf das Robotergelenk 1 Lasten ein, die im Wesentlichen aus dem Eigengewicht der Roboterarmsegmente 8a, 8b resultieren. Die Größe dieser Lasten ist abhängig von der Position der Roboterarmsegmente 8a, 8b zueinander und im Raum. Zur Kompensation des Eigengewichts des ersten und zweiten Roboterarmsegments 8a, 8b umfasst das Robotergelenk 1 neben einer - hier nicht gezeigten - Antriebseinheit eine Vorrichtung zur Einstellung eines Drehmoments am Robotergelenk 1. Die Vorrichtung ist im Robotergelenk 1 integriert und im Wesentlichen dazu ausgebildet, eine durch die Antriebseinheit vollzogene Verstellung der Roboterarmsegmente 8a, 8b zueinander durch die Vorrichtung nachzustellen, um stets das wirkende Eigengewicht der Roboterarmsegmente 8a, 8b auszugleichen.
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Nach den 2 und 3 ist die Vorrichtung zur Einstellung eines Drehmoments am Robotergelenk 1 gezeigt. Diese umfasst eine selbsthemmende Übersetzungsstufe 2, einen Rampenmechanismus 3, eine Energiespeichereinheit 4 sowie ein Drehgelenk 5. Der Rampenmechanismus 3 ist im Lastfluss zwischen der Übersetzungsstufe 2 und dem Drehgelenk 5 angeordnet und umfasst ein erstes und zweites Rampenelement 3a, 3b mit mehreren axial dazwischen angeordneten Wälzkörpern 6.
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Die Energiespeichereinheit 4 ist als Axialfederpaket ausgebildet und weist mehrere in Reihe geschaltete Tellerfedern 11 auf, wobei das Axialfederpaket bzw. Tellerfederpaket einerseits am zweiten Rampenelement und andererseits an einer Distanzscheibe 10 zur Anlage kommt, die axial zwischen der Energiespeichereinheit 4 und einem Flansch 5b des Drehgelenks 5 angeordnet ist. Die Distanzscheibe 10 ist dazu vorgesehen, einen Verschleiß der Vorrichtung zu reduzieren. Neben dem Flansch 5b weist das Drehgelenk 5 ferner einen Rohrabschnitt 5a auf, der durch die Vorrichtung axial hindurchgeführt ist. Das Drehgelenk 5 ist mit dem Rohrabschnitt 5a über ein erstes Lagerelement 12a radial abgestützt und drehbar gegenüber einem ortsfesten Gehäuseteil 14 gelagert.
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Die selbsthemmende Übersetzungsstufe 2 ist als Schneckenradsatz ausgebildet, bestehend aus einer drehangetriebenen Schneckenwelle 2a und einem damit in Zahneingriff stehenden Schneckenrad 2b. Das Schneckenrad 2b ist drehfest mit dem ersten Rampenelement 3a verbunden, sodass eine Rotation des Schneckenrades 2b zusammen mit dem ersten Rampenelement 3a einhergeht. Anders gesagt ist das erste Rampenelement 3a gegenüber der Übersetzungsstufe 2 abgestützt. Ferner ist das Rampenelement 3a mit dem Schneckenrad 2b über ein zweites Lagerelement 12b gegenüber dem Gehäuseteil 14 radial abgestützt und drehbar dazu gelagert.
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Das zweite Rampenelement 3a sowie die Tellerfedern 11 der Energiespeichereinheit 4 sind hingegen drehfest mit dem Drehgelenk 5 verbunden, wie deutlich in 3 zu sehen ist. Dazu sind am Rohrabschnitt 5a Mittel 9 zur Ausbildung einer drehfesten, formschlüssigen Verbindung zwischen dem Drehgelenk 5 und dem zweiten Rampenelement 3b sowie zwischen dem Drehgelenk 5 und den Tellerfedern 11 der Energiespeichereinheit 4 ausgebildet.
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4 zeigt eine Draufsicht auf das erste Rampenelement 3a des Rampenmechanismus 3. Jeder Wälzkörper 6 des Rampenmechanismus 3 ist entlang einer jeweiligen am ersten Rampenelement 3a ausgebildeten rampenförmigen Laufbahn 7 geführt. Analog dazu ist auch das zweite Rampenelement 3b ausgebildet. Die rampenförmigen Laufbahnen 7 des ersten Rampenelements 3a sind vorliegend mit gleicher Steigung ausgebildet, wobei die Steigung mittels einer linearen Funktion beschrieben werden kann.
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Das erste Rampenelement 3a wird bei einer Betätigung der Übersetzungsstufe 2 in eine Rotationsbewegung versetzt, sodass die Wälzkörper 6 entlang der jeweiligen rampenförmigen Laufbahn 7 abrollen und das zweite Rampenelement 3b relativ zum ersten Rampenelement 3a in eine axiale Bewegung in Richtung der Energiespeichereinheit 4 versetzt, um eine axiale Vorspannkraft der axial zwischen dem Drehgelenk 5 und dem zweiten Rampenelement 3b angeordneten Tellerfedern 11 der Energiespeichereinheit 4 einzustellen. Dadurch wird an dem mit dem zweiten Rampenelement 3b und der Energiespeichereinheit 4 drehfest verbundenen Drehgelenk 5 ein Drehmoment eingestellt, um insbesondere ein Eigengewicht der Roboterarmsegmente 8a, 8b gemäß 1 auszugleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Robotergelenk
- 2
- Übersetzungsstufe
- 2a
- Schneckenwelle
- 2b
- Schneckenrad
- 3
- Rampenmechanismus
- 3a, 3b
- Rampenelement
- 4
- Energiespeichereinheit
- 5
- Drehgelenk
- 5a
- Rohrabschnitt
- 5b
- Flansch
- 6
- Wälzkörper
- 7
- Laufbahn
- 8a, 8b
- Roboterarmsegment
- 9
- Mittel zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung
- 10
- Distanzscheibe
- 11
- Tellerfeder
- 12a, 12b
- Lagerelement
- 13
- Roboterarm
- 14
- Gehäuseteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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