DE102019109590A1

DE102019109590A1 - Drehgelenkeinrichtung für einen Roboter und Roboter

Info

Publication number: DE102019109590A1
Application number: DE102019109590.5A
Authority: DE
Inventors: Viktor Langofer; Maged Iskandar
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2020-10-15

Abstract

Drehgelenkeinrichtung (100) für einen Roboter, die Drehgelenkeinrichtung (100) aufweisend ein erstes Gelenkelement (102) und ein zweites Gelenkelement (108) mit einer gemeinsamen Gelenkachse (116), um die das erste Gelenkelement (102) und das zweite Gelenkelement (108) zusammen drehbar und relativ zueinander verdrehbar sind, wobei die Drehgelenkeinrichtung (100) wenigstens eine von der Gelenkachse (116) radial beabstandete, an dem ersten Gelenkelement (102) um eine erste Rollenachse drehbar angeordnete und mit dem ersten Gelenkelement (102) um die Gelenkachse (116) verdrehbare erste Rolle (104, 106), wenigstens eine von der Gelenkachse (116) radial beabstandete, an dem zweiten Gelenkelement (108) um eine zweite Rollenachse drehbar angeordnete und mit dem zweiten Gelenkelement (108) um die Gelenkachse (116) verdrehbare zweite Rolle (110, 112) und wenigstens ein die wenigstens eine erste Rolle (104, 106) und die wenigstens eine zweite Rolle (110, 112) schlaufenförmig umschlingendes elastisches Zugmittel (114) aufweist, und Roboter aufweisend wenigstens eine derartige Drehgelenkeinrichtung (100).

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehgelenkeinrichtung für einen Roboter, die Drehgelenkeinrichtung aufweisend ein erstes Gelenkelement und ein zweites Gelenkelement mit einer gemeinsamen Gelenkachse, um die das erste Gelenkelement und das zweite Gelenkelement zusammen drehbar und relativ zueinander verdrehbar sind. Außerdem betrifft die Erfindung einen Roboter.
Aus dem Dokument DE 10 2006 020 013 A1 ist ein Robotergelenk bekannt, mit zwei jeweils mit einem Gelenkelement verbundenen Gelenkarm, wobei beim Verschwenken der Gelenkarme die Gelenkelemente aneinander gleiten, und mindestens einem mit einem der Gelenkelemente verbundenen Halteelemente zum Halten der Gelenkelemente in Anlage, bei dem das Halteelement ein Verformungselement aufweist, um ein Lösen der Anlage zwischen den Gelenkelementen beim Auftreten von Überlasten zu ermöglichen.
Aus dem Dokument „Friedl, Werner & Chalon, Maxime & Reinecke, Jens & Grebenstein, Markus. (2011). FAS A flexible Antagonistic spring element for a high performance over actuated hand. 1366 -1372. 10.1109/IROS.2011.6048177.“ ist ein antagonistischer Sehnenmechanismus bekannt, der wenig Bauraum erfordert, anpassbar ist, Energie absorbieren kann und einen geringen Energiebedarf aufweist. Der Mechanismus weist feste Seilscheiben, federbeaufschlagte Seilscheiben, sehnenartige Zugmittel und Auf-/Abwickler auf.
Aus dem Dokument DE 10 2011 105 200A1 ist ein beinbasierter Roboter bekannt mit mindestens zwei Beinen, wobei jedes Bein mindestens ein Gelenk mit einem schwenkbaren Gelenkelement besitzt, wobei jedes Gelenkelement von einer Antriebseinheit zum Erzeugen einer Schwenkbewegung angetrieben ist, bei dem die Antriebseinheit jedes Gelenkes aus zwei Antriebsvorrichtungen besteht, die jeweils über eine Kraftübertragungsvorrichtung mit dem Gelenkelement verbunden sind, und jede Kraftübertragungsvorrichtung eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung von potentieller Energie aufweist und jede Antriebsvorrichtung in zwei Antriebsrichtungen antreibbar ist, wobei die Antriebsvorrichtungen als Synergisten zum Aufbringen eines gleichsinnigen Drehmomentes auf das Gelenkelement und als Antagonisten zum Aufbringen eines gegensinnigen Drehmomentes auf das Gelenkelement betreibbar sind. Die Energiespeichervorrichtung ist als Elastizitätselement mit nichtlinearer Kennlinie ausgeführt. Es wird vorgeschlagen, die Elastizitätselemente als Feder, beispielsweise Druckfeder oder Zugfeder, auszubilden.
Aus dem Dokument DE 10 2016 209 639 A1 ist eine Roboterhand bekannt mit mindestens zwei Fingern und zwei Daumen, mindestens einem Bewegungsmotor zum Antreiben eines jeden Fingers und eines jeden Daumens, aufweisend mindestens ein Steifigkeits-Einstellelement zum Einstellen der Steifigkeit der Finger und mindestens ein Steifigkeits-Einstellelement zur Einstellung der Steifigkeit der Daumen.
Aus der am 20.06.2018 angemeldeten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2018 114 756.2 ist ein Drehgelenk bekannt mit einer Federvorrichtung für einen Roboter, das Drehgelenk aufweisend ein erstes Gelenkelement, ein zweites Gelenkelement und eine Gelenkachse, um die das erste Gelenkelement und das zweite Gelenkelement relativ zueinander drehbar sind, die Federvorrichtung aufweisend wenigstens eine zwischen dem ersten Gelenkelement und dem zweiten Gelenkelement wirksame Feder mit einer zumindest abschnittsweise nichtlinearen Kennlinie, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Feder einen ersten Einspannabschnitt, einen zweiten Einspannabschnitt und eine Federachse aufweist, um die der erste Einspannabschnitt und der zweite Einspannabschnitt relativ zueinander begrenzt verdrehbar sind, und die Federachse zumindest annähernd koaxial zur Gelenkachse angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Drehgelenkeinrichtung strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Roboter strukturell und/oder funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Drehgelenkeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Roboter mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Drehgelenkeinrichtung kann einen Freiheitsgrad f=1 aufweisen. Die Drehgelenkeinrichtung kann dazu dienen, zwei Roboterglieder eines Roboters miteinander drehbeweglich zu verbinden.
Das erste Gelenkelement kann einen ersten Verbindungsabschnitt aufweisen. Der erste Verbindungsabschnitt kann zur festen Verbindung mit einem ersten Roboterglied dienen. Der erste Verbindungsabschnitt kann eine flanschartige Form aufweisen. Das erste Gelenkelement kann einen ersten Aufnahmeabschnitt aufweisen. Der erste Aufnahmeabschnitt kann zur Aufnahme der ersten Rollen dienen. Die ersten Rollen können auch als Seilrollen und/oder Antriebsrollen bezeichnet werden. Der erste Aufnahmeabschnitt kann eine Kreisringform aufweisen.
Das zweite Gelenkelement kann einen zweiten Verbindungsabschnitt aufweisen. Der zweite Verbindungsabschnitt kann zur festen Verbindung mit einem zweiten Roboterglied dienen. Der zweite Verbindungsabschnitt kann eine flanschartige Form aufweisen. Das zweite Gelenkelement kann einen zweiten Aufnahmeabschnitt aufweisen. Der zweite Aufnahmeabschnitt kann zur Aufnahme der zweiten Rollen dienen. Die zweiten Rollen können auch als Seilrollen, Spannrollen und/oder Abtriebsrollen bezeichnet werden. Der zweite Aufnahmeabschnitt kann eine Kreisringform aufweisen.
Der erste Aufnahmeabschnitt kann eine Kreisringform mit einem kleineren Radius als der zweite Aufnahmeabschnitt aufweisen. Der zweite Aufnahmeabschnitt kann eine Kreisringform mit einem größeren Radius als der erste Aufnahmeabschnitt aufweisen. Der erste Aufnahmeabschnitt und der zweite Aufnahmeabschnitt können ineinandergreifend angeordnet sein.
Die Gelenkachse, die Rollenachse der wenigstens einen ersten Rolle und die Rollenachse der wenigstens einen zweiten Rolle können zueinander parallel angeordnet sein.
Soweit nicht anders angegeben oder es sich aus dem Zusammenhang nicht anders ergibt, beziehen sich die Angaben „axial“, „radial“ und „in Umfangsrichtung“ auf eine Erstreckungsrichtung der Gelenkachse. „Axial“ entspricht dann einer Erstreckungsrichtung der Gelenkachse. „Radial“ ist dann eine zur Erstreckungsrichtung der Gelenkachse senkrechte und sich mit der Gelenkachse schneidende Richtung. „In Umfangsrichtung“ entspricht dann einer Kreisbogenrichtung um die Gelenkachse.
„Schlaufenförmig“ bezeichnet vorliegend insbesondere eine geschlossene Form oder einen geschlossenen Abschnitt des wenigstens einen Zugmittels. Das wenigstens eine Zugmittel kann umlaufend geschlossen sein. Das wenigstens eine Zugmittel kann ringförmig geschlossen sein. Das wenigstens eine Zugmittel kann ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen. Das wenigstens eine Zugmittel kann ohne Überkreuzung/-en angeordnet sein. Das wenigstens eine Zugmittel kann eine einzige Schlaufe bilden. Das wenigstens eine Zugmittel kann mit Überkreuzung/-en angeordnet sein. Das wenigstens eine Zugmittel kann mehrere Schlaufen bilden. Eine Überkreuzung des wenigstens einen Zugmittels kann eine Überkreuzung in axialer Ansicht sein. Eine Überkreuzung des wenigstens einen Zugmittels kann berührungsfrei ausgeführt sein. Eine Überkreuzung des wenigstens einen Zugmittels kann berührungsfrei ausgeführt sein. Das wenigstens eine Zugmittel kann biegeschlaff sein. Das wenigstens eine Zugmittel kann zugelastisch sein. Das wenigstens eine Zugmittel kann auch als Seil bezeichnet werden.
Das wenigstens eine Zugmittel kann die wenigstens eine erste Rolle und die wenigstens eine zweite Rolle vorgespannt umschlingen. Das wenigstens eine Zugmittel kann zur kraftschlüssigen Verbindung der wenigstens einen ersten Rolle und der wenigstens einen zweiten Rolle dienen. Das wenigstens eine Zugmittel kann zur Kraftübertragung zwischen der wenigstens einen ersten Rolle und der wenigstens einen zweiten Rolle dienen. Das wenigstens eine Zugmittel kann zur Drehmomentübertragung zwischen dem ersten Gelenkelement und dem zweiten Gelenkelement dienen.
Eine Elastizität des wenigstens einen Zugmittels kann sich durch eine Dehnbarkeit des wenigstens einen Zugmittels selbst ergeben. Das wenigstens eine Zugmittel kann wenigstens ein gesondertes Elastikelement aufweisen, um eine Elastizität darzustellen. Das wenigstens eine Elastikelement kann als Zugfeder ausgeführt sein. Das wenigstens eine elastische Zugmittel kann dazu dienen, eine Nachgiebigkeit des Drehgelenks zu ermöglichen. Die Nachgiebigkeit kann eine Nachgiebigkeit bezüglich externer mechanischer Einwirkung auf die Drehgelenkeinrichtung sein. Das wenigstens eine elastische Zugmittel kann eine lineare oder nichtlineare Kennlinie aufweisen.
Die Drehgelenkeinrichtung kann ein nichtlineares Federverhalten aufweisen. Die Drehgelenkeinrichtung kann ein periodisches Federverhalten aufweisen. Die Drehgelenkeinrichtung kann eine Überlastkupplung bilden. Die Drehgelenkeinrichtung kann bei einem Verdrehen des ersten Gelenkelements und des zweiten Gelenkelements relativ zueinander wenigstens einen Antriebsbereich, wenigstens eine Totpunktposition, wenigstens einen Übertotpunktbereich und/oder wenigstens eine Rastposition durchlaufen. Die Drehgelenkeinrichtung kann bei einem Verdrehen des ersten Gelenkelements und des zweiten Gelenkelements relativ zueinander periodisch wiederholend einen Antriebsbereich, eine Totpunktposition, einen Übertotpunktbereich und eine Rastposition durchlaufen.
Das wenigstens eine Zugmittel kann die wenigstens eine erste Rolle mit einer resultierenden Kraft beaufschlagen. Die resultierende Kraft kann eine Vorspannkraft des wenigstens einen Zugmittels und eine Kraft, die auf ein über das erste Gelenkelement eingeleitetes Drehmoment zurückgeht, umfassen. Die resultierende Kraft kann ein zwischen dem ersten Gelenkelement und dem zweiten Gelenkelement wirksames Drehmoment bewirken. Bei einem Verdrehen des ersten Gelenkelements und des zweiten Gelenkelements relativ zueinander kann das Drehmoment periodisch zwischen einem positiven Maximalwert und einem negativen Maximalwert, der auch als Minimalwert bezeichnet werden kann, mit Nulldurchgang wechseln.
In dem wenigstens einen Antriebsbereich kann bei einem Verdrehen des ersten Gelenkelements und des zweiten Gelenkelements relativ zueinander ein positives Drehmoment vorliegen. In dem wenigstens einen Antriebsbereich kann das Drehmoment zunächst auf dem Maximalwert ansteigen und dann wieder abfallen. In dem wenigstens einen Antriebsbereich kann mithilfe des wenigstens einen Zugmittels zwischen dem ersten Gelenkelement und dem zweiten Gelenkelement ein Drehmoment übertragbar sein.
In der Totpunktposition kann der Drehmomentverlauf einen Nulldurchgang aufweisen. Die Totpunktposition kann ein instabile Position sein.
In dem wenigstens einen Übertotpunktbereich kann bei einem Verdrehen des ersten Gelenkelements und des zweiten Gelenkelements relativ zueinander ein negatives Drehmoment vorliegen. In dem wenigstens einen Übertotpunktbereich kann das Drehmoment zunächst weiter auf den Minimalwert abfallen und dann wieder ansteigen. In dem wenigstens einen Übertotpunktbereich können das erste Gelenkelement und das zweite Gelenkelement mithilfe des wenigstens einen Zugmittels in Richtung der Rastposition beaufschlagt sein.
In der Rastposition kann der Drehmomentverlauf einen Nulldurchgang aufweisen. Die Rastposition kann ein stabile Position sein. Die Rastposition kann ein Vorzugsposition sein.
Die wenigstens eine erste Rolle kann mit der ersten Rollenachse auf einem ersten Rollenachsenkreis angeordnet sein. Der ersten Rollenachsenkreis kann an dem ersten Aufnahmeabschnitt angeordnet sein. Die wenigstens eine zweite Rolle kann mit der zweiten Rollenachse auf einem zweiten Rollenachsenkreis angeordnet sein. Der zweite Rollenachsenkreis kann an dem zweiten Aufnahmeabschnitt angeordnet sein. Der erste Rollenachsenkreis kann einen kleineren Radius als der zweite Rollenachsenkreis aufweisen. Der zweite Rollenachsenkreis kann einen größeren Radius als der erste Rollenachsenkreis aufweist.
Die wenigstens eine erste Rolle kann radial innerhalb des zweiten Rollenachsenkreises um die Gelenkachse verdrehbar sein. Die wenigstens eine erste Rolle kann radial innerhalb des zweiten Rollenachsenkreises um die Gelenkachse umlaufend verdrehbar sein.
Die Drehgelenkeinrichtung kann mehrere erste Rollen aufweisen. Die Drehgelenkeinrichtung kann zwei, drei, vier oder sechs erste Rollen aufweisen. Die ersten Rollen können auf dem ersten Rollenachsenkreis verteilt angeordnet sein. Die ersten Rollen können auf dem ersten Rollenachsenkreis gleichmäßig verteilt angeordnet sein.
Die Drehgelenkeinrichtung kann mehrere zweite Rollen aufweisen. Die Drehgelenkeinrichtung kann zwei, drei oder fünf erste Rollen aufweisen. Die zweiten Rollen können auf dem zweiten Rollenachsenkreis verteilt angeordnet sein. Die zweiten Rollen können auf dem zweiten Rollenachsenkreis gleichmäßig verteilt angeordnet sein.
Die Drehgelenkeinrichtung kann ein einziges Zugmittel aufweisen. Das einzige Zugmittel kann in einer Zugmittelebene angeordnet sein. Das einzige Zugmittel kann über mehrere Zugmittelebenen verteilt angeordnet sein. Die Drehgelenkeinrichtung kann mehrere Zugmittel aufweisen. Die Drehgelenkeinrichtung kann ein erstes Zugmittel und ein zweites Zugmittel aufweisen. Die Zugmittel können jeweils in gesonderten Zugmittelebenen angeordnet sein. Die Zugmittelebene/-n kann/können senkrecht zur Gelenkachse angeordnet sein. Die Zugmittelebenen können zueinander parallel und voneinander beabstandet angeordnet sein.
Die wenigstens eine erste Rolle kann eine helixförmig verlaufende Zugmittelnut aufweisen. Die wenigstens eine zweite Rolle kann eine helixförmig verlaufende Zugmittelnut aufweisen. Die wenigstens eine erste Rolle kann eine gewundene Zugmittelnut mit einer Steigung aufweisen. Die wenigstens eine zweite Rolle kann eine gewundene Zugmittelnut mit einer Steigung aufweisen. Die wenigstens eine erste Rolle kann eine ringförmige Zugmittelnut ohne Steigung aufweisen. Die wenigstens eine zweite Rolle kann eine ringförmige Zugmittelnut ohne Steigung aufweisen.
Das wenigstens eine Zugmittel kann eine einzige Schlaufe bilden. Das wenigstens eine Zugmittel kann mehrere Schlaufen bilden. Das wenigstens eine Zugmittel kann vier oder sechs Schlaufen bilden.
Das wenigstens eine Zugmittel kann mit einer Schlaufe eine einzige Rolle umschlingen. Eine Schlaufe des wenigstens einen Zugmittels kann eine einzige Rolle umschlingen. Das wenigstens eine Zugmittel kann mit einer Schlaufe mehrere Rollen umschlingen. Eine Schlaufe des wenigstens einen Zugmittels kann mehrere Rollen umschlingen. Eine Schlaufe des wenigstens einen Zugmittels kann wenigstens eine erste Rolle und wenigstens eine zweite Rolle umschlingen. Eine Schlaufe des wenigstens einen Zugmittels kann zwei erste Rollen und zwei zweite Rollen umschlingen. Eine Schlaufe des wenigstens einen Zugmittels kann zwei erste Rollen und drei zweite Rollen umschlingen. Eine Schlaufe des wenigstens einen Zugmittels kann zwei erste Rollen und vier zweite Rollen umschlingen. Eine Schlaufe des wenigstens einen Zugmittels kann zwei erste Rollen umschlingen. Eine Schlaufe des wenigstens einen Zugmittels kann drei erste Rollen umschlingen.
Eine Vorspannung des wenigstens einen Zugmittels kann einstellbar sein. Drehgelenkeinrichtung kann wenigstens einen Aktuator zum Einstellen einer Vorspannung des wenigstens einen Zugmittels aufweisen. Der wenigstens eine Aktuator kann einen Motor und/oder ein Getriebe aufweisen. Der wenigstens eine Aktuator kann elektrisch kontrollierbar sein.
Der Roboter kann ein mobiler Roboter, ein autonomer Roboter, ein Industrieroboter, ein Medizinroboter, ein Serviceroboter, ein Spielzeugroboter, ein Erkundungsroboter und/oder ein humanoider Roboter sein. Der Roboter kann wenigstens ein erstes Roboterglied und wenigstens ein zweites Roboterglied aufweisen. Das wenigstens eine erste Roboterglied und das wenigstens ein zweite Roboterglied können miteinander gelenkig verbunden sein. Das wenigstens eine erste Roboterglied und das wenigstens ein zweite Roboterglied können miteinander mithilfe der wenigstens einen Drehgelenkeinrichtung verbunden sein. Das erste Gelenkelement kann mit dem ersten Roboterglied fest verbunden sein. Das zweite Gelenkelement kann mit dem zweiten Roboterglied fest verbunden sein.
Die Drehgelenkeinrichtung kann in einer Prothese, in der Orthopädie, in der Automobilindustrie, in Landmaschinen, in mobilen Drohnen und/oder im allgemeinen Maschinenbau verwendet werden.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine exzentrische Seilrollenkupplung mit nichtlinearem periodischem Federverhalten.
Es kann ein Mechanismus mit nichtlinearem periodischem Federverhalten verwendet werden, dessen simultane Funktion die einer Überlastkupplung entspricht. Der Mechanismus kann sich der Elastizität eines Seils und kinematische Bedingungen bedienen, um das nichtlineare periodische Federverhalten aufzuweisen. Zusätzlichen gängigen oder speziellen Federelemente können entfallen, bei Bedarf aber zusätzlich zum Seil in Serie geschaltet werden.
Durch Anordnung von n_an Antriebsseilrollen und n_ab Abtriebsseilrollen in gleichmäßigen Winkelschritten θ_an und θ_ab (Gl. 1) lässt sich ein erneutes selbständiges Einrasten in eine Rastposition in n_inc Winkelinkrementen φ_inc (Gl. 2) abstimmen. Eine Anordnung der Seilrollen kann auf einer Seilebene oder axial entlang einer Antriebsdrehachse auf mehreren Seilebenen erfolgen.
Das nichtlineare Verhalten, insbesondere eine Federkennlinie, kann durch ein Senken bzw. Erhöhen eines Seilvorspannung variabel änderbar sein.
Eine Kollisionsgefahr mit anderen Bauteilen wird vermieden.
Die Federkennlinie kann je nach Konfiguration in einem benötigten Arbeitsbereich eine quadratische Funktion aufweisen, wodurch sich eine für eine Regelung günstige lineare Steifigkeitskennlinie ergibt.
Die Gesamtheit des Mechanismus kann drehsymmetrisch um die Antriebsachse platziert sein. Dies führt zu einer raumeffizienteren Gestaltungsmöglichkeit. Eine Modularisierung ist ebenfalls möglich.
Gleichungen:

θ_an, θ_ab -: Winkelschritte zur Platzierung der Seilrollen (Antrieb/Abtrieb)
n_an, na_b -: Anzahl der Seilrollen (Antrieb/Abtrieb)
n_inc -: Anzahl der Rastpositionen bzw. Nullstellen des Drehmoments pro 180°
φ_inc -: Rastwinkelinkrement
-: Vektor der Kraftresultierenden von Seilrolle i
F_i(φ) -: Betrag der Kraftresultierenden von Seilrolle i
-: Richtungsvektor der Kraftresultierenden von Seilrolle i
F_S(φ) -: Betrag der Seilkraft
a_i(φ) -: Umschlingungswinkel von Seilrolle i
d_i(φ) -: Hebelarm der Kraftresultierenden von Seilrolle i
τ(φ) -: Gesamtdrehmoment

θ_{a n} = \frac{2 \cdot π}{n_{a n}}; θ_{a b} = \frac{2 \cdot π}{n_{a b}}

n_{i n c} = \frac{π}{φ_{i n c}} m i t φ_{i n c} = {\begin{matrix} \frac{π}{0.5 \cdot (n_{a n} + n_{a b} + | n_{a n} - n_{a b} |)}, & w e n n m o d (| n_{a n} - n_{a b} |,2) = 0 \\ \frac{π}{n_{a n} \cdot n_{a b}}, & s o n s t \end{matrix}

{\overset{⇀}{F}}_{i} (φ) = F_{i} (φ) \cdot \frac{{\overset{⇀}{u}}_{i} (φ)}{‖ {\overset{⇀}{u}}_{i} (φ) ‖} m i t F_{i} (φ) = F_{s} (φ) \cdot \sqrt{2 \cdot (1 + cos (π - α_{i} (φ)))}

τ (φ) = \sum_{i} F_{i} (φ) \cdot d_{i} (φ)

Mit der Erfindung werden eine nichtlineare Nachgiebigkeit und ein Überlastschutz ermöglicht. Schädigungen werden vermieden. Ein Bauraumbedarf wird reduziert. Toleranzanforderungen werden reduziert. Ein Aufwand, wie Konstruktionsaufwand, Anpassungsaufwand, Kostenaufwand und/oder Kalibrierungsaufwand wird reduziert. Ein Arbeitsbereich wird vergrößert.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 eine Gelenkvorrichtung mit einem antriebsseitigen Gelenkelement, zwei antriebsseitigen Rollen, einem abtriebsseitigen Gelenkelement, zwei abtriebsseitigen Rollen und einem die Rollen umschlingenden elastischen Zugmittel,
2 eine Kinematik einer Gelenkvorrichtung mit einem antriebsseitigen Gelenkelement, antriebsseitigen Rollen, einem abtriebsseitigen Gelenkelement, abtriebsseitigen Rollen und einem die Rollen umschlingenden elastischen Zugmittel,
3 einen Drehmomentverlauf an dem antriebsseitigen Gelenkelement bei einem Verdrehen der Gelenkelemente relativ zueinander,
4 eine Gelenkvorrichtung mit einem antriebsseitigen Gelenkelement, zwei antriebsseitigen Rollen, einem abtriebsseitigen Gelenkelement, zwei abtriebsseitigen Rollen und einem die Rollen umschlingenden elastischen Zugmittel mit einstellbarer Vorspannung,
5 vorspannungsabhängige Drehmomentverläufe an dem antriebsseitigen Gelenkelement bei einem Verdrehen der Gelenkelemente relativ zueinander,
6 eine Gelenkvorrichtung mit einem antriebsseitigen Gelenkelement, drei antriebsseitigen Rollen, einem abtriebsseitigen Gelenkelement, zwei abtriebsseitigen Rollen und einem die Rollen umschlingenden elastischen Zugmittel,
7 eine Gelenkvorrichtung mit einem antriebsseitigen Gelenkelement, vier antriebsseitigen Rollen, einem abtriebsseitigen Gelenkelement, zwei abtriebsseitigen Rollen und einem die Rollen umschlingenden elastischen Zugmittel,
8 eine Gelenkvorrichtung mit einem antriebsseitigen Gelenkelement, sechs antriebsseitigen Rollen, einem abtriebsseitigen Gelenkelement, zwei abtriebsseitigen Rollen und zwei die Rollen in gesonderten Zugmittelebenen umschlingenden elastischen Zugmitteln,
9 eine Gelenkvorrichtung mit einem antriebsseitigen Gelenkelement, zwei antriebsseitigen Rollen, einem abtriebsseitigen Gelenkelement, drei abtriebsseitigen Rollen und einem die Rollen über mehrere Zugmittelebenen umschlingenden elastischen Zugmittel und
10 eine Gelenkvorrichtung mit einem antriebsseitigen Gelenkelement, drei antriebsseitigen Rollen, einem abtriebsseitigen Gelenkelement, fünf abtriebsseitigen Rollen und einem die Rollen über mehrere Zugmittelebenen umschlingenden elastischen Zugmittel,

1 zeigt eine Gelenkvorrichtung 100 mit einem ersten Gelenkelement 102, zwei ersten Rollen 104, 106, einem zweiten Gelenkelement 108, zwei zweiten Rollen 110, 112 und einem die Rollen 104, 106, 110, 112 vorgespannt umschlingenden elastischen Zugmittel 114.
Das Zugmittel 114 dient zur kraftschlüssigen Verbindung der ersten Rollen 104, 106 und der zweiten Rollen 110, 112 und damit zur Kraftübertragung zwischen den ersten Rollen 104, 106 und den zweiten Rollen 110, 112 und zur Drehmomentübertragung zwischen dem ersten Gelenkelement 102 und dem zweiten Gelenkelement 108.
Die Drehgelenkeinrichtung 100 dient beispielsweise zum gelenkigen Verbinden zweier Roboterglieder eines Roboters. Dann ist das erste Gelenkelement 102 fest mit einem ersten Roboterglied und das zweite Gelenkelement 108 fest mit einem zweiten Roboterglied verbunden. Vorliegend dient das erste Gelenkelement 102 als Antrieb und das zweite Gelenkelement 108 als Abtrieb.
Das erste Gelenkelement 102 und das zweite Gelenkelement 108 weisen eine gemeinsame Gelenkachse 116 auf, um das erste Gelenkelement 102 und das zweite Gelenkelement 108 zusammen drehbar und relativ zueinander verdrehbar sind. Die ersten Rollen 104, 106 sind einander diametral gegenüberliegend von der Gelenkachse 116 radial jeweils gleich beabstandet an dem ersten Gelenkelement 102 angeordnet und jeweils um eine erste Rollenachse drehbar. Die zweiten Rollen 110, 112 sind einander diametral gegenüberliegend von der Gelenkachse 116 radial jeweils gleich beabstandet an dem zweiten Gelenkelement 108 angeordnet und jeweils um eine zweite Rollenachse drehbar.
Die ersten Rollen 104, 106 sind mit ihren Rollenachse auf einem ersten Rollenachsenkreis 118 angeordnet. Die zweiten Rollen 110, 112 sind mit ihren Rollenachse auf einem zweiten Rollenachsenkreis 120 angeordnet. Der erste Rollenachsenkreis 118 weist einen derart kleineren Radius als der zweite Rollenachsenkreis 120 auf, dass bei einem Verdrehen des ersten Gelenkelements 102 und des zweiten Gelenkelements 108 relativ zueinander die ersten Rollen 104, 106 radial innerhalb des zweiten Rollenachsenkreises um die Gelenkachse 118 umlaufend verdrehbar sind.
Im Folgenden wird ein Verdrehen des ersten Gelenkelements 102 bei feststehendem zweiten Gelenkelement 108 in Drehwinkelrichtung φ betrachtet und insbesondere auf 2 Bezug genommen, die eine Kinematik der Gelenkvorrichtung 100 zeigt. 3 zeigt einen dabei auftretenden Drehmomentverlauf 122 an dem ersten Gelenkelement 102, wobei auf einer x-Achse eine Auslenkung φ und auf einer y-Achse ein Drehmoment τ aufgetragen ist.
Ausgehend von einer Rastposition bei einer Auslenkung φ = 0, in der die ersten Rollenachsen, die zweiten Rollenachsen und die Gelenkachse 118 auf einer gemeinsamen Linie liegen, wird zunächst, wie in 1 gezeigt, ein Antriebsbereich durchlaufen, bis bei einer Auslenkung φ = π/2 eine Totpunktposition erreicht wird. Nachfolgend wird ein Übertotpunktbereich durchlaufen, bis bei einer Auslenkung φ = π wieder die Rastposition erreicht wird.
Das Zugmittel 114 beaufschlagt die ersten Rollen 104, 106 mit einer resultierenden Kraft ${\overset{⇀}{F}}_{i} (φ),$
die eine Vorspannkraft Zugmittels 114 und eine Kraft, die auf ein über das erste Gelenkelement 102 eingeleitetes Drehmoment zurückgeht, umfasst. In dem Antriebsbereich steigt das Drehmoment τ ausgehend von einem Wert τ = 0 in der Rastposition zunächst bis auf einen Maximalwert τ_max an und fällt nachfolgend wieder auf einen Wert τ = 0 in der Totpunktposition ab. In dem Übertotpunktbereich fällt das Drehmoment τ ausgehend von einem Wert τ = 0 in der Totpunktposition zunächst weiter bis auf einen Minimalwert -τ_max ab und steigt nachfolgend wieder auf einen Wert τ = 0 in der Rastposition an.
In dem Antriebsbereich ist mithilfe des Zugmittels 114 ein vorgegebenes maximales Drehmoment von dem dem ersten Gelenkelement 102 auf das zweite Gelenkelement 108 übertragbar. Wenn das maximale Drehmoment überschritten wird, wird die instabile Totpunktposition durchlaufen und zunächst die Rastposition als Vorzugsposition eingenommen. Bei einer weiteren Beaufschlagung des ersten Gelenkelements 102 mit einem Drehmoment erfolgt in dem Antriebsbereich wieder eine Drehmomentübertragung auf das zweite Gelenkelement 108. Die Drehgelenkeinrichtung 100 weist somit ein nichtlineares periodisches Federverhalten auf und bildet eine Überlastkupplung.
Die Drehgelenkeinrichtung 100 weist n_an = 2 Antriebsrollen, n_ab = 2 Abtriebsrollen, n_inc = 2 Rastpositionen pro 180° und ein Rastwinkelinkrement φ_inc = 90° auf.
4 zeigt eine Gelenkvorrichtung 200, bei der eine Vorspannung des Zugmittels 202 einstellbar ist. Das Zugmittel 202 weist ein erstes Ende 204 und ein zweites Ende 206 auf. Die Gelenkvorrichtung 200 weist einen Aktuator 208 auf. Das erste Ende 204 ist fest angeordnet, das zweite Ende 206 ist zum Einstellen einer Vorspannung des Zugmittels 202 mit dem Aktuator 208 verbunden. Zwischen dem Aktuator 208 und dem zweiten Ende 206 des Zugmittels 202 ist ein Federelement 209 angeordnet.
5 zeigt abhängig von einer Vorspannung des Zugmittels 202 unterschiedliche Drehmomentverläufe 210, 212, 214, 216 bei einem Verdrehen des ersten Gelenkelements 218 in Drehwinkelrichtung φ und feststehendem zweiten Gelenkelement 220, wobei auf einer x-Achse eine Auslenkung φ und auf einer y-Achse ein Drehmoment τ aufgetragen ist. Mit zunehmender Vorspannung des Zugmittels 202 steigen der Maximalwert τ_max und der Minimalwert -τ_max.
Zu der Gelenkvorrichtung 200 wird ergänzend insbesondere auf 1 bis 3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
6 zeigt eine Gelenkvorrichtung 300 mit n_an = 3 Antriebsrollen, n_ab = 2 Abtriebsrollen, n_inc = 6 Rastpositionen pro 180° und einem Rastwinkelinkrement φ_inc = 30° auf. Zu der Gelenkvorrichtung 300 wird ergänzend insbesondere auf 1 bis 3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
7 zeigt eine Gelenkvorrichtung 400 mit n_an = 4 Antriebsrollen, n_ab = 2 Abtriebsrollen, n_inc = 4 Rastpositionen pro 180° und einem Rastwinkelinkrement φ_inc = 45° auf. Zu der Gelenkvorrichtung 400 wird ergänzend insbesondere auf 1 bis 3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
8 zeigt eine Gelenkvorrichtung 500 mit n_an = 6 Antriebsrollen, die in zwei Zugmittelebenen angeordnet sind, n_ab = 2 Abtriebsrollen, n_inc = 6 Rastpositionen pro 180° und einem Rastwinkelinkrement φ_inc = 30° auf. Das Zugmittel ist über die zwei Zugmittelebenen geführt. Zu der Gelenkvorrichtung 500 wird ergänzend insbesondere auf 1 bis 3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
9 zeigt eine Gelenkvorrichtung 600 mit n_an = 2 Antriebsrollen, n_ab = 3 Abtriebsrollen, n_inc = 6 Rastpositionen pro 180° und einem Rastwinkelinkrement φ_inc = 30° auf. Das Zugmittel ist über drei Zugmittelebenen geführt. Zu der Gelenkvorrichtung 600 wird ergänzend insbesondere auf 1 bis 3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
10 zeigt eine Gelenkvorrichtung 700 mit n_an = 3 Antriebsrollen, n_ab = 5 Abtriebsrollen, n_inc = 15 Rastpositionen pro 180° und einem Rastwinkelinkrement φ_inc = 12° auf. Das Zugmittel ist über drei Zugmittelebenen geführt. Zu der Gelenkvorrichtung 700 wird ergänzend insbesondere auf 1 bis 3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Die in 1 gezeigte Gelenkvorrichtung 100 bildet einen seriell elastischen Aktuator auf einer der Kinematik des Mechanismus und der Elastizität des Zugmittels 114 beruhenden Effekts. Hierbei initiiert das erste Gelenkelement 102 ein Drehmoment auf die mit der ersten Gelenkelement 102 fest verbundenen exzentrischen ersten Rollen 104, 106. Bei feststehendem zweiten Gelenkelement 108 wird hierdurch jeweils eine Querkraft durch die ersten Rollen 104, 106 in das Zugmittel 114 übertragen. Das Zugmittel 114 erfährt hierdurch eine Längung Δl(φ) und eine Erhöhung der Zugmittelspannung F_S(φ) zusätzlich zur bereits vorhandenen Vorspannung F_S0 des Zugmittel 114 durch die zweiten Rollen 110, 112. Mit fortschreitender Verdrehung φ des ersten Gelenkelements 102 verringert sich der Hebelarm d_i(φ) der Kraftresultierenden ${\overset{⇀}{F}}_{i} (φ)$
der i-ten ersten Rolle zur Gelenkachse 116, die Kraftresultierende aber wächst in einem nichtlinearen Verhältnis zum Hebelarm, siehe 2. Dieser Effekt führt zum oben erwähnten nichtlinearen periodischen Federverhalten des Gesamtsystems und wiederholt sich periodisch im mit 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel mit zwei exzentrischen ersten Rollen 104, 106 jede 180°. Weitere beispielhafte Ausführungen mit mehr als zwei ersten Rollen 104, 106 (Antrieb) und/oder zweiten Rollen (Abtrieb) ist 6 bis 10 zu entnehmen.
4 zeigt denselben Mechanismus aus 1, jedoch als variablen Steifigkeitsaktuator ausgeführt. Die Variabilität der Steifigkeit wird durch einen zusätzlichen Aktuator 208 zur Einstellung der Zugmittelvorspannung erzielt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Dehnsteifigkeit des Zugmittels 202 durch ein zusätzliches Federelement 209 zu modifizieren. Dies ist auch im Mechanismus nach 1 möglich.
Schließlich wird in allen Ausführungen in Abhängigkeit der geometrischen Festlegungen, der Vorspannung des Zugmittels/der Zugmittel und exzentrischen Rollenkonfigurationen ein resultierendes Drehmoment τ(φ) nach (Gl. 4) erzeugt.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Gelenkvorrichtung
102: erstes Gelenkelement
104: erste Rolle
106: erste Rolle
108: zweites Gelenkelement
110: zweite Rolle
112: zweite Rolle
114: Zugmittel
116: Gelenkachse
118: erster Rollenachsenkreis
120: zweiter Rollenachsenkreis
122: Drehmomentverlauf
200: Gelenkvorrichtung
202: Zugmittel
204: erstes Ende
206: zweites Ende
208: Aktuator
209: Federelement
210: Drehmomentverlauf
212: Drehmomentverlauf
214: Drehmomentverlauf
216: Drehmomentverlauf
218: erstes Gelenkelement
220: zweites Gelenkelement
300: Gelenkvorrichtung
400: Gelenkvorrichtung
500: Gelenkvorrichtung
600: Gelenkvorrichtung
700: Gelenkvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006020013 A1 [0002]
DE 102011105200 A1 [0004]
DE 102016209639 A1 [0005]
DE 102018114756 [0006]

Claims

Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) für einen Roboter, die Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) aufweisend ein erstes Gelenkelement (102, 218) und ein zweites Gelenkelement (108, 220) mit einer gemeinsamen Gelenkachse (116), um die das erste Gelenkelement (102, 218) und das zweite Gelenkelement (108, 220) zusammen drehbar und relativ zueinander verdrehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) wenigstens eine von der Gelenkachse (116) radial beabstandete, an dem ersten Gelenkelement (102, 218) um eine erste Rollenachse drehbar angeordnete und mit dem ersten Gelenkelement (102, 218) um die Gelenkachse (116) verdrehbare erste Rolle (104, 106), wenigstens eine von der Gelenkachse (116) radial beabstandete, an dem zweiten Gelenkelement (108, 220) um eine zweite Rollenachse drehbar angeordnete und mit dem zweiten Gelenkelement (108, 220) um die Gelenkachse (116) verdrehbare zweite Rolle (110, 112) und wenigstens ein die wenigstens eine erste Rolle (104, 106) und die wenigstens eine zweite Rolle (110, 112) schlaufenförmig umschlingendes elastisches Zugmittel (114, 202) aufweist.
Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Rolle (104, 106) mit der ersten Rollenachse auf einem ersten Rollenachsenkreis (118) angeordnet ist, die wenigstens eine zweite Rolle (110, 112) mit der zweiten Rollenachse auf einem zweiten Rollenachsenkreis (120) angeordnet ist, der erste Rollenachsenkreis (118) einen kleineren Radius aufweist und der zweite Rollenachsenkreis (120) einen größeren Radius aufweist.
Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Rolle (104, 106) radial innerhalb des zweiten Rollenachsenkreises (120) um die Gelenkachse (116) verdrehbar ist.
Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) mehrere auf dem ersten Rollenachsenkreis (118) verteilt angeordnete erste Rollen (104, 106) und/oder mehrere auf dem zweiten Rollenachsenkreis (120) verteilt angeordnete zweite Rollen (110, 112) aufweist.
Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 600, 700) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 600, 700) ein einziges in einer Zugmittelebene angeordnetes Zugmittel (114, 202) aufweist.
Drehgelenkeinrichtung (600, 700) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgelenkeinrichtung (600, 700) ein einziges über mehrere Zugmittelebenen verteilt angeordnetes Zugmittel aufweist.
Drehgelenkeinrichtung (600, 700) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Rolle und/oder die wenigstens eine zweite Rolle eine helixförmig verlaufende Zugmittelnut aufweisen/aufweist.
Drehgelenkeinrichtung (500) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgelenkeinrichtung (500) mehrere jeweils in gesonderten Zugmittelebenen angeordnete Zugmittel aufweist.
Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 500) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zugmittel (114, 202) eine einzige Schlaufe bildet.
Drehgelenkeinrichtung (600, 700) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zugmittel mehrere Schlaufen bildet.
Drehgelenkeinrichtung (600, 700) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zugmittel mit einer Schlaufe eine einzige Rolle umschlingt.
Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zugmittel (114, 202) mit einer Schlaufe mehrere Rollen (104, 106, 110, 112) umschlingt.
Drehgelenkeinrichtung (200) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorspannung des wenigstens einen Zugmittels (202) einstellbar ist.
Roboter, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter wenigstens eine Drehgelenkeinrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.