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Die Erfindung betrifft eine spezielle Ausbildung von Roboterstrukturelementen, d.h. Tragteilen eines Roboterarms. Die Erfindung betrifft insoweit einen Roboterarm, aufweisend mehrere motorisch angetriebene Gelenke und mehrere Glieder, die jeweils zwei benachbarte Gelenke dieser angetriebenen Gelenke miteinander verbinden, wobei mindestens eines dieser Glieder ein tragendes Strukturbauteil aufweist, das ausgebildet ist zur Übertragung von Kräften und/oder Momenten von einem benachbarten Gelenk zu dem anderen benachbarten Gelenk, wobei das Strukturbauteil wenigstens ein erstes Tragteil und wenigstens ein zweites Tragteil aufweist.
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Aus der
WO 2017/029263 A1 ist ein Robotersystem mit zumindest einem Roboterarm bekannt, bestehend aus mehreren Gliedern, die über Gelenke miteinander verbunden sind und die ein Gehäuse zur Aufnahme von mechanischen, mechatronischen und/oder elektronischen Komponenten aufweisen, wobei das Gehäuse ausgebildet ist, die in das Glied eingeleiteten Drehmomente und Kräfte auf ein daran anschließendes Glied zu übertragen, wobei das Gehäuse aus zumindest zwei formkomplementären Gehäuseteilen zusammengesetzt ist, die miteinander in einer drehmoment- und kraftübertragenden Verbindung stehen.
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Die
DE 11 2015 003 875 T5 beschreibt einen Robotermechanismus, umfassend ein Glied, das aus einem ersten Segment, welches an ein zweites Segment an einander gegenüberliegenden Seiten derselben angrenzt, ausgebildet ist, mindestens eine Sehne, die von dem ersten Segment aus in das zweite Segment hinein verläuft, wobei das erste Segment in Kontakt mit dem zweiten Segment durch eine mechanische Spannung gehalten wird, die auf das mindestens eine Segment aufgebracht wird.
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Die
US 2009/0095109 A1 beschreibt eine Roboterstruktur mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil und einem Kupplungskrafterzeuger, der das erste Teil und das zweite Teil aneinander presst, derart, dass eine Kupplungskraft zwischen den aneinander liegenden Endflächen des ersten Teils und zweiten Teils erzeugt wird, welche die Teile zusammenhält.
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Die
WO 2009/080373 A1 beschreibt einen Industrieroboter mit einem Roboterarm, der mehrere Segmente aufweist, die mittels magnetischer Kupplungen zusammengehalten werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Roboterarm zu schaffen, der im Falle einer Kollision mit einem Objekt die Kollisionsenergie besonders günstig abzubauen vermag.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Roboterarm, aufweisend mehrere motorisch angetriebene Gelenke und mehrere Glieder, die jeweils zwei benachbarte Gelenke dieser angetriebenen Gelenke miteinander verbinden, wobei mindestens eines dieser Glieder ein tragendes Strukturbauteil aufweist, das ausgebildet ist zur Übertragung von Kräften und/oder Momenten von einem benachbarten Gelenk zu dem anderen benachbarten Gelenk, wobei das Strukturbauteil wenigstens ein erstes Tragteil und wenigstens ein zweites Tragteil aufweist, wobei erfindungsgemäß das wenigstens eine erste Tragteil und das wenigstens eine zweite Tragteil durch eine Verbindungseinrichtung miteinander verbunden sind, die zwei unterschiedliche Zustände einnehmen kann, derart, dass in einem ersten Zustand der Verbindungseinrichtung das erste Tragteil mit dem zweiten Tragteil starr verbunden ist, um die zu übertragenden Kräfte und/oder Momente zu übertragen und in einem zweiten Zustand der Verbindungseinrichtung die starre Verbindung von erstem Tragteil und zweitem Tragteil gelöst ist, derart, dass das von dem wenigstens einen ersten Tragteil und dem wenigstens einen zweiten Tragteil gebildete Strukturbauteil kollabiert, sodass die zu übertragenden Kräfte und/oder Momente eine Verformung des Strukturbauteils bewirken.
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Roboterarme, insbesondere Industrieroboter sind Arbeitsmaschinen, die zur automatischen Handhabung und/oder Bearbeitung von Objekten mit Werkzeugen ausgerüstet werden können, wobei deren Glieder mittels ihrer Gelenke in mehreren Bewegungsachsen beispielsweise hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind.
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Ein Industrieroboter weist im Allgemeinen den Roboterarm und eine programmierbare Steuerung (Steuervorrichtung) auf, die während des Betriebs die Bewegungsabläufe des Industrieroboters steuert bzw. regelt, dadurch, dass ein oder mehrere automatisch oder manuell verstellbare Gelenke (Roboterachsen) durch insbesondere elektrische Motoren oder Antriebe bewegt werden, in dem die Steuerung die Motoren oder Antriebe steuert bzw. regelt.
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Roboterarme können unter anderem ein Gestell und ein relativ zum Gestell mittels eines Gelenks drehbar gelagertes Karussell umfassen, an dem eine Schwinge mittels eines anderen Gelenks schwenkbar gelagert ist. An der Schwinge kann dabei ihrerseits ein Armausleger mittels eines weiteren Gelenks schwenkbar gelagert sein. Der Armausleger trägt dabei eine Roboterhand, wobei insoweit der Armausleger und/oder die Roboterhand mehrere weitere Gelenke aufweisen können.
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Der mehrere über Gelenke verbundene Glieder aufweisende Roboterarm kann als ein Knickarmroboter mit mehreren seriell nacheinander angeordneten Gliedern und Gelenken konfiguriert sein, insbesondere kann der Roboterarm als ein Sechsachs-Knickarmroboter oder ein Siebenachs-Knickarmroboter ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsart kann der Roboterarm aber auch ein horizontaler Gelenkarmroboter, d.h. ein SCARA-Roboter sein.
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Jedem Gelenk, das beispielsweise zwei benachbarte Glieder gegeneinander verstellbar verbindet, können jeweils ein Motor oder Antrieb und/oder ein Getriebe zugeordnet sein. Jedes Getriebe dient dazu, eine von dem Motor oder Antrieb eingebrachte Drehzahl bzw. Drehmoment zu übersetzen bzw. zu untersetzen und eine Verstellung des jeweils einen Gliedes bezüglich des benachbarten Gliedes zu ermöglichen.
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Eine vom Roboterarm zu tragende und im Raum zu bewegende Last kann schon durch sein Eigengewicht und ein an einem Handflansch des Roboterarms befestigtes Werkzeug, wie beispielsweise eines Greifers gebildet werden. Ergänzend zum Eigengewicht und einem Werkzeug oder Greifer kann die Last auch das Gewicht des zu handhabenden oder zu bearbeitenden Werkstücks umfassen. Um solche Lasten halten und bewegen zu können, müssen die Kräfte und Momente durch die tragende Struktur des Roboterarms, d.h. über dessen Strukturbauteile übertragen werden. Insbesondere zur Bildung eines tragfähigen Roboterarms können deshalb ein oder mehrere Glieder des Roboterarms beispielsweise als Gehäusekörper mit Hohlräumen ausgeführt sein, bei denen der Gehäusekörper sämtliche Kräfte und Momente der Last aufnimmt, wobei in den Hohlräumen der Gehäusekörper Motoren, Antriebe, Getriebe und/oder Versorgungsleitungen angeordnet sein können. Die hohlen Gehäusekörper werden aus wenigstens zwei Tragteilen zusammengesetzt. Dabei müssen die Tragteile durch eine Verbindungseinrichtung miteinander verbunden werden, um das komplette Strukturbauteil des jeweiligen Gliedes des Roboterarms bilden zu können.
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Als Strukturbauteil werden im Rahmen der Erfindung tragende Strukturelemente des Gliedes verstanden, die zwei benachbarte Gelenke mechanisch so miteinander verbinden, dass Lasten in allen sechs Freiheitsgraden, d.h. translatorisch in den drei kartesischen Raumrichtungen und rotatorisch um drei Drehachsen, die jeweils in den drei kartesischen Raumrichtungen ausgerichtet sind, von einem Gelenk zu dem anderen Gelenke übertragen werden können. In dieser Funktion kann das Strukturbauteil als ein im maschinenbautechnischem Sinne starres Verbindungsglied betrachtet werden.
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Das Merkmal, wonach das tragende Strukturbauteil wenigstens ein erstes Tragteil und wenigstens ein zweites Tragteil aufweist, bedeutet, dass das tragende Strukturbauteil mehrteilig ausgeführt ist, wobei die mehreren Tragteile, die nicht nur zwei Tragteile umfassen können, sondern auch drei oder mehr, insbesondere ein Vielzahl von Tragteilen umfassen können, in einem starr zusammengesetzten Zustand das tragende Strukturbauteil bilden. Ein starr zusammengesetzter Zustand der insoweit mehreren Tragteile kann durch eine oder mehrere Verbindungseinrichtungen sichergestellt sein. Die Verbindungseinrichtung kann dazu ein, zwei oder mehrere, insbesondere eine Vielzahl von lösbaren Verbindungsmitteln aufweisen, welche - im erste erfindungsgemäßen Zustand - die Tragteile derart verbinden, dass ein tragendes Strukturbauteil gebildet wird.
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Die Verbindungseinrichtung bzw. die Verbindungsmittel sind erfindungsgemäß lösbar, so dass diese das tragende Strukturbauteil aus seinem ersten Zustand, in dem es starr ist, in einen zweiten Zustand gebracht werden kann, in dem das Strukturbauteil kollabieren, d.h. zusammenfallen kann, indem die Tragteile von einem gegenseitigen Halt gelöst sind und folglich auseinanderfallen können.
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Das Strukturbauteil kann eine äußere Mantelwand aufweisen, die von mehreren aneinander liegenden Tragteilen des Strukturbauteils gebildet wird und dabei wenigstens einen Biegestab aufweisen, der hinter der durch die Tragteile des Strukturbauteils gebildeten Mantelwand liegend angeordnet ist und der die benachbarten Gelenke des durch das Strukturbauteil gebildeten Gliedes verbindet.
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Die äußere Mantelwand des Strukturbauteils kann insoweit eine Gehäuseschale des betreffenden Gliedes des Roboterarms bilden. Die äußere Mantelwand, insbesondere die Gehäuseschale wird gebildet von mehreren aneinander liegenden Tragteilen des Strukturbauteils. Die mehreren aneinander liegenden Tragteile können insoweit dünnwandige Schalensegmente bilden, wie sie im Folgenden in unterschiedlichen Ausführungen noch näher erläutert sind.
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Der Biegestab ist Teil der Verbindungseinrichtung. Der Biegestab bildet insoweit eine besondere Ausgestaltung einer zentralen Verbindungsseele des Strukturbauteils. Der Biegestab, insbesondere die zentrale Verbindungsseele stellt sicher, dass die mehreren aneinander liegenden Tragteile, insbesondere die dünnwandigen Schalensegmente nicht in axialer Längserstreckung des Gliedes auseinanderfallen oder auseinandergleiten. Der Biegestab nimmt insoweit Zugkräfte auf. Der Biegestab ist selbsterklärend biegeelastisch.
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Die aneinander liegenden Tragteile können von zumindest im Wesentlichen dünnwandigen Schalensegmenten gebildet werden, deren Hauptflächen aneinander liegend eine der Umgebung des Roboterarms zugewandte Außenmantelwand des jeweils betreffenden Gliedes bilden und deren benachbarte Stirnkanten im ersten Zustand der Verbindungseinrichtung zur Übertragung der Kräfte und/oder Momente jeweils aneinander liegen und die dünnwandigen Schalensegmente senkrecht zur Ebene ihrer Hauptflächen verstellbar am jeweiligen Glied gelagert sind, derart, dass sie gegenüber der Ebene der Außenmantelwand nach innen versetzbar sind, derart, dass ihre benachbarten Stirnkanten voneinander gelöst sind, um die Verbindungseinrichtung in den zweiten Zustand zu bringen.
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Die dünnwandigen Schalensegmente können insoweit eine scheibenartige Gestalt aufweisen, deren Außenkontur im Allgemeinen beliebig sein kann. Je nach Anordnung und/oder Gruppierung von mehreren dünnwandigen Schalensegmenten zu einer durchgängigen Außenmantelwand kann die Außenkontur quadratisch, rechteckig oder polygonal, insbesondere hexagonal sein.
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Die Hauptflächen sind insoweit quadratisch, rechteckig oder polygonal, insbesondere hexagonal. Die Hauptflächen sind im Allgemeinen mehrfach größer dimensioniert als die Dicke der dünnwandigen Schalensegmente bzw. der Scheiben.
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Die Stirnkanten werden durch die dünnen Seitenwände der Schalensegmente bzw. der Scheiben gebildet.
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Die Außenmantelwand, die aus den mehreren dünnwandigen Schalensegmenten gebildet wird kann insoweit eine Gehäusewand des betreffenden Gliedes des Roboterarms bilden.
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Das Merkmal, wonach die dünnwandigen Schalensegmente senkrecht zur Ebene ihrer Hauptflächen verstellbar am jeweiligen Glied gelagert sind, derart, dass sie gegenüber der Ebene der Außenmantelwand nach innen versetzbar sind, derart, dass ihre benachbarten Stirnkanten voneinander gelöst sind, um die Verbindungseinrichtung in den zweiten Zustand zu bringen, bedeutet, dass einzelne Schalensegmente aus dem Verbund von mehreren Schalensegmenten herausgelöst werden können, wodurch ein Übertragungsweg für Kräfte und Momente über die Stirnkanten von einem Schalensegment zum nächsten Schalensegment unterbrochen ist und in Folge dessen die Kräfte und Momente nicht mehr oder zumindest nicht mehr vollständig von einem Gelenk zum nächsten Gelenk des betreffenden Gliedes des Roboterarm übertragen werden können und somit das Glied elastisch nachgibt, d.h. sich verformt bzw. kollabiert.
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In einer Ausführungsvariante können jeweils zwei benachbarte dünnwandige Schalensegmente an benachbarten Stirnkanten aneinander liegen, die sich in einer Ebene senkrecht zur Längserstreckung des Gliedes erstrecken.
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In einer anderen Ausführungsvariante können jeweils zwei benachbarte dünnwandige Schalensegmente an benachbarten Stirnkanten aneinander liegen, die sich in einer Ebene senkrecht zur Umfangsrichtung um die Längserstreckung des Gliedes erstrecken.
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Die dünnwandigen Schalensegmente können mit ihren benachbarten Stirnkanten in Längserstreckung des Gliedes auf Stoß aneinander liegen und in einer orthogonalen Querrichtung oder beiden orthogonalen Querrichtungen zur Längserstreckung des Gliedes gegeneinander verschiebbar ausgebildet sein.
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Die dünnwandigen Schalensegmente können mit ihren benachbarten Stirnkanten in Längserstreckung des Gliedes auf Stoß aneinander liegen und in derjenigen Querrichtung, die in Umfangsrichtung verläuft formschlüssig ineinandergreifen.
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Die zumindest abschnittsweise von den dünnwandigen Schalensegmenten gebildete Außenmantelwand des jeweils betreffenden Gliedes kann zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet sein.
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Die zumindest abschnittsweise von den dünnwandigen Schalensegmenten gebildete Außenmantelwand des jeweils betreffenden Gliedes kann alternativ polygonal ausgebildet sein.
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Das wenigstens eine erste Tragteil und das wenigstens eine zweite Tragteil und die Verbindungseinrichtung, insbesondere die dünnwandigen Schalensegmente und/oder insbesondere auch der wenigstens eine Biegestab können einstückig miteinander ausgebildet sein.
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Das wenigstens eine erste Tragteil und das wenigstens eine zweite Tragteil und die Verbindungseinrichtung, insbesondere die dünnwandigen Schalensegmente und/oder insbesondere auch der wenigstens eine Biegestab können als ein Kunststoffverbundbauteil ausgebildet sein.
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Das wenigstens eine erste Tragteil und das wenigstens eine zweite Tragteil und die Verbindungseinrichtung, insbesondere die dünnwandigen Schalensegmente können mittels wenigstens eines Federelements in ihre den ersten Zustand der Verbindungseinrichtung bestimmenden Positionen gehalten sein.
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Das Federelement oder die Federelemente sind demgemäß ausgebildet, die Tragteile bzw. die dünnwandigen Schalensegmente in einer Grundstellung zu halten, die dem ersten Zustand entspricht, in dem das betreffende Glied Kräfte und Momente bedarfsgerecht übertragen kann. Wird ein Tragteil oder ein dünnwandiges Schalensegment in den zweiten Zustand bewegt, so wird das zugeordnete Federelement gespannt und durch die Kraft des gespannten Federelements das ausgelenkte Tragteil oder das ausgelenkte dünnwandige Schalensegment in Richtung seiner Ursprungsposition, die dem ersten Zustand entspricht zurückgedrängt. So können beispielsweise nach einer Kollision mit einem Körper, bei entferntem Körper die ausgelenkten Tragteile oder die ausgelenkten dünnwandigen Schalensegment mittels der Federelemente wieder selbsttätig in ihre Ausgangsstellungen zurückkehren, wenn das umgebogene Glied wieder geradegerichtet wird.
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Jedes einzelne Tragteil, insbesondere jedes einzelne dünnwandige Schalensegment kann mittels eines eigenen zugeordneten Federelements, insbesondere radial ausgerichteten Federelements mit einer zentralen Verbindungsseele des Gliedes, insbesondere dem Biegestab des Gliedes verbunden sein.
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Die dünnwandigen Schalensegmente können jeweils eine hexagonale Kontur aufweisen und wabenförmig strukturiert angeordnet sein.
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Die Verbindungseinrichtung kann ausgebildet sein, aufgrund eines elektrisch angesteuerten Auslösens von ihrem ersten Zustand in den zweiten Zustand überzugehen.
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Alternativ zu einer elektrischen Ansteuerung kann die Verbindungseinrichtung ausgebildet sein, aufgrund eines mechanischen Auslösens von ihrem ersten Zustand in den zweiten Zustand überzugehen.
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Im Folgenden wird die Erfindung nochmals zusammenfassend in anderen Worten dargestellt. Die Erfindung zeigt auf, wie Strukturteile von Robotern im Normalbetrieb einen ausreichend steifen und stabilen Aufbau aufweisen können, dass der Roboter den jeweiligen Anforderungen genügende Genauigkeits- und Traglasteigenschaften besitzen kann und dennoch das Strukturteil in einem Kollisionsfall schlagartig ein komplett anderes Verhalten aufweisen kann.
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Dabei kann die Oberfläche im Bereich der Kollision mit geringer Steifigkeit nachgiebig sein und gegebenenfalls kleinere Stöße komplett absorbieren. Das kollidierende Strukturteil soll bei Kollision nachgiebig, also mit geringerer Steifigkeit, reagieren und eine kurze Weiterführung der Bewegung des Gesamtsystems, d.h. des Roboterarmes, zulassen, um über einen dann deutlich längeren Bremsweg Energie abbauen zu können.
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Ein solches Strukturteil soll sehr kostengünstig aufgebaut werden können. Ein Umschalten bei Kollision soll vorzugsweise passiv erfolgen, also beispielsweise ohne aufwändige elektronische Sensoren und Auswertesteuerungen.
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Die Steifigkeit des Strukturteils im Normalbetrieb (erster Zustand) ist für den entsprechenden Anwendungsfall als ausreichend anzusehen.
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Der erfindungsgemäße Aufbau eignet sich insbesondere sehr gut für Strukturteile eines Roboters, speziell eines SCARA-Roboters, ist jedoch keineswegs auf einen solchen beschränkt. Vielmehr kann das Prinzip in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, vorzugsweise bei länglichen Gliedern mit balkenartiger oder stabartiger Ausprägung.
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Das hier aufgezeigte System hat somit die Aufgabe dynamische Kollisionen innerhalb der Struktur besser abfangen zu können.
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Statische Kollisionen oder Kollisionen mit Klemmungen, bei denen der Antrieb weiter schiebt und somit einen wesentlichen Anteil an der Kollisionskraft hat, werden hier nicht behandelt.
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Die Erfindung liegt in einem Strukturaufbau mit schlagartig veränderlichem Flächenträgheitsmoment, in Abhängigkeit von der Lage der Krafteinleitung.
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Dabei kann ein solcher balkenförmiger Körper aus unterschiedlichen Bereichen bestehen. Stirnseitig können Anschlussbereiche vorhanden sein, in die Prozesskräfte und/oder Trägheitskräfte im Normalbetrieb eingeleitet werden und starr weitergeleitet werden können, ohne dass die Struktur nachgiebig oder weich reagiert. In diesen Bereichen sind Gelenke, Lagerstellen, Motorhalterungen, Getriebeabstützungen usw. vorzusehen.
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Der mittlere Bereich ist variabel-elastisch ausgeführt. Mittig längsgerichtet kann eine zentrale Faser vorhanden sein, welche eine richtungsabhängige Elastizität aufweist. So kann diese Elastizität je nach Ausführung beispielsweise für Kräfte in X-Richtung und Z-Richtung steif und für Kräfte in Y-Richtung und Momente um die Z-Richtung weich ausgeführt sein, z.B. vergleichbar mit einer Blattfeder. Auf dieser zentralen Mittelfaser aufbauend, können nach außen hin nachgiebige Federelemente angeordnet sein, die eine Elastizität zumindest in Richtung der Mittelfaser aufweisen. Die nachgiebigen Elemente oder Federn tragen nach außen hin einzelne Schalensegmente, die eine äußere Schicht des Strukturteils bilden. Durch die Federn sind diese Segmente radial, also nach innen hin, einzeln federnd verschiebbar bzw. beweglich.
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Die Segmente besitzen eine Außenfläche und stirnseitig mindestens zwei, je nach Ausprägungsform auch mehrere Seitenflächen. Im Normalbetrieb finden sich alle Segmente im nach au-ßen gefederten stabilen Zustand, dass sich deren Seitenflächen anliegend berührend. Die Außenflächen der Segmente bilden im Normalfall dabei stetige Übergänge. Wirkt in dieser Konstellation eine Kraft, wie eine Prozesskraft oder eine Trägheitskraft einer nachgelagerten Masse, auf ein Anschlussteil, so kann diese Kraft über eine Reihe der Segmente auf das andere Anschlussteil übertragen werden, indem die anliegenden Segmentseitenflächen Druckkräfte auf benachbarte Segmente übertragen.
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Ist kein benachbartes Segment vorhanden, wenn sich das Segment am Ende des elastischen Bereichs befindet, muss die Druckkraft über einen ausreichend steif ausgeführten Anschlag übertragen werden. Bei einem solchen Aufbau wird eine Querkraft in Y-Richtung oder ein Moment um die Z-Richtung in eine Zugbelastung der Zentralfaser und eine Druckbelastung einer äußeren Segmentreihe umgewandelt. Die gegenüberliegende Segmentreihe wird dabei nicht belastet oder entlastet, falls die Segmente untereinander seitlich vorgespannt sind. Es können dann keine Zugkräfte in dieser Reihe übertragen werden.
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Abweichend zu einem normalen Aufbau eines Standard-Strukturteils, trägt hier nur jeweils eine Hälfte des Bauteils, sodass das resultierende Flächenträgheitsmoment eine widerstandgebende Wirkhöhe besitzt.
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Diese reduzierte Steifigkeit im Vergleich zu einem normalen Bauteil ist in gewisser Weise der Kompromiss, der eingegangen werden muss, wenn dies Bauteil gemäß dieser Erfindung kollisionsvariabel ausgeführt sein soll.
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Wie bereits beschrieben, verhält sich das Bauteil vergleichsweise steif, solange die Segmente so nebeneinander liegen, dass sie sich gegenseitig seitlich abstützen können. Eine Kollision innerhalb des Strukturteils erzeugt eine nach innen gerichtete Kraft auf die Außenseite eines oder mehrerer Segmente, die entsprechend der Federausführung und des federnden Freiheitsgrades zu einer radialen nach innen gerichteten Verschiebung oder Verkippung führt. Ist diese Verschiebung größer als die Breite der Seitenflächen ergibt sich ein Spalt derart, dass die benachbarten Segmente nicht mehr seitlich anliegen. Wirkt in diesem Zeitpunkt der Verschiebung eine Querkraft oder ein entsprechendes Moment auf das Strukturteil oder auf sein Anschlussteil, ist die Segmentreihe unterbrochen und kann keine Druckkräfte mehr leiten. Die widerstandgebende Wirkhöhe des Flächenträgheitsmoments reduziert sich auf die Breite der Mittelfaser. Dies reduziert die Steifigkeit signifikant, da die Wirkhöhe großen Einfluss auf die Steifigkeit besitzt. In Folge biegt sich der Strukturbalken an der Stelle der eingedrückten Segmente gemäß der Belastungsrichtung durch. Hierbei werden die Segmente im Bereich der Krafteinwirkung in der einen Reihe auseinanderbewegt und in der anderen Reihe übereinander geschoben.
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Dieser Lastfall ergibt sich im Falle einer Kollision, wenn das bewegte Strukturteil mit distaler Masse beispielsweise auf ein Hindernis auftrifft. Das Hindernis erzeugt dabei die Querkraft auf die Segmente, die Massenträgheit erzeugt das Moment, welches die Biegung verursacht. Das Durchbiegen verlängert den Verzögerungsweg der Masse und reduziert damit die auf das Kollisionsobjekt wirkende Kraft.
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Zu einer Doppelwirkung der Energieabsorption tragen darüber hinaus auch die Federelemente bei, die zusätzlich Bewegungsenergie aufnehmen und abbauen können.
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Folgende Ausführungsbeispiele greifen die bisher nur prinzipiell beschriebene Funktionsweise auf und stellen mögliche konstruktive Umsetzungen des elastischen Bereichs eines Strukturteils dar.
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Als zusätzliches Merkmal kann ein Segment insbesondere an seiner Außenseite auch beispielsweise ein Formelement besitzen, welches per Hand oder mittels eines Werkzeuges ermöglicht, es wieder in seine Ausgangslage zu ziehen, falls es sich nach einer Kollision mit den Nachbarsegmenten im vorgespannten Zustand leicht verkantet oder verklemmt hat.
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Als abschließende Ergänzung kann auch eine aktive Entriegelung aller Segmente vorgesehen werden, beispielsweise elektrisch und/oder elektromagnetisch, welche die Steifigkeit des Bauteils schlagartig aufgrund eines elektrischen Auslösesignals aufhebt und eine Durchbiegung der Mittelfaser ermöglicht.
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Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieser exemplarischen Ausführungsbeispiele können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in weiteren Kombinationen betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
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Es zeigen:
- 1 einen beispielhaften Roboterarm mit mehreren Gelenken und diese Gelenke verbindenden Gliedern,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein repräsentatives Glied eines Roboterarms in einer erste Ausführungsform mit mehreren radial federnd gelagerten Schalensegmenten im ersten Zustand,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung durch das repräsentative Glied des Roboterarms gemäß 2 mit den mehreren radial federnd gelagerten Schalensegmenten im zweiten Zustand,
- 4 eine perspektivische Darstellung von Varianten einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gliedes in einteiliger Ausführung in verschiebbarer Stoßanordnung der Schalensegmente,
- 5 eine perspektivische Darstellung von Varianten einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gliedes in einteiliger Ausführung mit formschlüssig ineinandergreifenden Schalensegmenten, und
- 6 eine perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gliedes in einer Ausführung mit hexagonalen Schalensegmenten, die wabenförmig strukturiert angeordnet sind.
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In der 1 ist ein repräsentatives Ausführungsbeispiel eines Roboter 1 gezeigt mit einem Roboterarm 2 und einer zughörigen Robotersteuerung 3. Der Roboterarm 2 weist mehrere Glieder 4 und die Glieder 4 gegeneinander verstellende Gelenke 5 auf. Jedes Gelenk 5 ist von jeweils einem Gelenkmotor des Roboterarms 2 angetrieben. Die Robotersteuerung 3 ist ausgebildet und eingerichtet, die Gelenkmotoren anzusteuern, um die Glieder 4 des Roboterarms 2 durch automatisches Verstellen der Gelenke 5 zu bewegen.
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Demgemäß weist der Roboterarm 2 mehrere motorisch angetriebene Gelenke 5 und mehrere Glieder 4 auf, die jeweils zwei benachbarte Gelenke 5 dieser angetriebenen Gelenke 5 miteinander verbinden, wobei mindestens eines dieser Glieder 4 ein tragendes Strukturbauteil 6 aufweist, das ausgebildet ist zur Übertragung von Kräften und/oder Momenten von einem benachbarten Gelenk 5.1 zu dem anderen benachbarten Gelenk 5.2, wobei das Strukturbauteil 6 wenigstens ein erstes Tragteil 6.1 und wenigstens ein zweites Tragteil 6.2 aufweist.
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Das wenigstens eine erste Tragteil 6.1 und das wenigstens eine zweite Tragteil 6.2 sind durch eine Verbindungseinrichtung 7 miteinander verbunden, die zwei unterschiedliche Zustände einnehmen kann, derart, dass in einem ersten Zustand (2) der Verbindungseinrichtung 7 das erste Tragteil 6.1 mit dem zweiten Tragteil 6.2 starr verbunden ist, um die zu übertragenden Kräfte und/oder Momente zu übertragen und in einem zweiten Zustand (3) der Verbindungseinrichtung 7 die starre Verbindung von erstem Tragteil 6.1 und zweitem Tragteil 6.2 gelöst ist, derart, dass das von dem wenigstens einen ersten Tragteil 6.1 und dem wenigstens einen zweiten Tragteil 6.2 gebildete Strukturbauteil 6 kollabiert, sodass die zu übertragenden Kräfte und/oder Momente eine Verformung des Strukturbauteils 6 bewirken.
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Das Strukturbauteil 6 weist, wie insbesondere in 2 und 3 aufgezeigt ist, eine äußere Mantelwand auf, die von mehreren aneinander liegenden Tragteilen 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7 des Strukturbauteils 6 gebildet wird und wenigstens einen Biegestab 8 aufweist, der hinter der durch die Tragteile 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7 des Strukturbauteils 6 gebildeten Mantelwand liegend angeordnet ist und der die benachbarten Gelenke 5.1, 5.2 des durch das Strukturbauteil 6 gebildeten Gliedes 4 verbindet.
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Die aneinander liegenden Tragteile 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7 werden im Falle der vorliegenden Ausführungsbeispiele von zumindest im Wesentlichen dünnwandigen Schalensegmenten gebildet, deren Hauptflächen aneinander liegend eine der Umgebung des Roboterarms 2 zugewandte Außenmantelwand des jeweils betreffenden Gliedes 4 bilden und deren benachbarte Stirnkanten im ersten Zustand der Verbindungseinrichtung 6 zur Übertragung der Kräfte und/oder Momente jeweils aneinander liegen und die dünnwandigen Schalensegmente senkrecht zur Ebene ihrer Hauptflächen verstellbar am jeweiligen Glied 4 gelagert sind, derart, dass sie gegenüber der Ebene der Außenmantelwand nach innen versetzbar sind, wie insbesondere in 3 aufgezeigt ist, derart, dass ihre benachbarten Stirnkanten voneinander gelöst sind, um die Verbindungseinrichtung 6 in den zweiten Zustand zu bringen.
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Wie aus 2 und 3 ersichtlich ist, liegen jeweils zwei benachbarte dünnwandige Schalensegmente an benachbarten Stirnkanten aneinander, die sich in einer Ebene E senkrecht zur Längserstreckung L des Gliedes 4 erstrecken.
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Aus der Ausführungsform gemäß 6 ist beispielsweise ersichtlich, wie jeweils zwei benachbarte dünnwandige Schalensegmente auch an benachbarten Stirnkanten aneinander liegen können, die sich in einer Ebene E senkrecht zur Umfangsrichtung U um die Längserstreckung L des Gliedes 4 erstrecken.
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In beiden Ausführungsformen können die dünnwandigen Schalensegmente mit ihren benachbarten Stirnkanten in Längserstreckung L des Gliedes 4 auf Stoß aneinander liegen und in einer orthogonalen Querrichtung oder beiden orthogonalen Querrichtungen zur Längserstreckung L des Gliedes 4 gegeneinander verschiebbar ausgebildet sein.
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Die 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der die dünnwandigen Schalensegmente mit ihren benachbarten Stirnkanten in Längserstreckung L des Gliedes 4 auf Stoß aneinander liegen und in derjenigen Querrichtung, die in Umfangsrichtung U verläuft formschlüssig ineinandergreifen.
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Die zumindest abschnittsweise von den dünnwandigen Schalensegmenten gebildete Außenmantelwand des jeweils betreffenden Gliedes kann, wie beispielsweise im Falle der Ausführungsform gemäß 6, zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet sein.
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Im Falle der Ausführungsform gemäß 4 und 5 beispielsweise ist die zumindest abschnittsweise von den dünnwandigen Schalensegmenten gebildete Außenmantelwand des jeweils betreffenden Gliedes 4 polygonal ausgebildet.
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Die Ausführungsform gemäß 4 und 5 zeigen auch, dass das wenigstens eine erste Tragteil 6.1 und das wenigstens eine zweite Tragteil 6.2 und die Verbindungseinrichtung 7 insgesamt, insbesondere die dünnwandigen Schalensegmente und insbesondere auch der wenigstens eine Biegestab 8 einstückig miteinander ausgebildet sein können.
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In diesen Ausführungsformen der 4 und 5 sind das wenigstens eine erste Tragteil 6.1 und das wenigstens eine zweite Tragteil 6.2 und die Verbindungseinrichtung 7, insbesondere die dünnwandigen Schalensegmente und insbesondere auch der wenigstens eine Biegestab 8 als ein Kunststoffverbundbauteil ausgebildet. Das Kunststoffverbundbauteil kann insbesondere, wie dargestellt, als ein Strangpressprofil ausgebildet sein.
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Zurückkommend insbesondere auf 2 und 3 können das wenigstens eine erste Tragteil 6.1 und das wenigstens eine zweite Tragteil 6.2, insbesondere die dünnwandigen Schalensegmente mittels Federelementen 9 in ihre den ersten Zustand (2) der Verbindungseinrichtung 7 bestimmenden Positionen gehalten sein.
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Jedes einzelne Tragteil 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, insbesondere jedes einzelne dünnwandige Schalensegment kann mittels eines eigenen zugeordneten Federelements 9, insbesondere radial ausgerichteten Federelements 9, wie in 2 und 3 aufgezeigt ist, mit einer zentralen Verbindungsseele des Gliedes 4, insbesondere dem Biegestab 8 des Gliedes 4 verbunden sein.
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In der Ausführungsform gemäß 6 können die dünnwandigen Schalensegmente jeweils eine hexagonale Kontur aufweisen und wabenförmig strukturiert angeordnet sein.
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Ein beispielhaftes Auslösen der Verbindungseinrichtung 7 ist in 3 angedeutet. Aufgrund eines mechanischen Auslösens, das eine Kollision des Gliedes 4 des Roboterarms mit einem Objekt 10 sein kann, wird ein oder werden mehrere einzelne Tragteil 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7 entgegen der Spannkraft der Federelemente 9 nach innen gedrückt, so dass die Verbindungseinrichtung 7 von ihrem ersten Zustand in den zweiten Zustand übergeht derart, dass die durch die einzelne Tragteil 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7 bzw. durch die dünnwandigen Schalensegmente gebildete Mantelwand kollabiert und der Biegestab 8 des Gliedes 4 elastisch ausweichen kann.
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In der 4 zeigen die Varianten V1 und V2 in einer Ansicht von oben wie die drei Funktionsbereiche aufgeteilte sein können. Die Funktionsbereiche umfassen eine biegeelastische Mittelfaser A, eine federelastische Segmentlagerung B und die Kraftübertragungssegmente C. Die drei Funktionsbereiche können wie dargestellt in einem einzigen Spritzguss-Kunststoffbauteil intergiert sein. Unterschiede in den Varianten V1 und V2 sind hier lediglich in der Formgestaltung der federelastischen Segmentlagerung B zu sehen, der Einfluss auf das Einfederverhalten der Segmente nimmt.
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Die Variante V3 der 4 zeigt eine Abänderung der Variante V2, indem das Bauteil nicht mehr durchgängig aus einem einstückigen Kunststoffbauteil gebildet wird, sondern aus mehreren Materialien eines Mehr-Komponenten-Aufbau gebildet wird. So kann neben der Formgestaltung auch gezielt auf die Einzelelastizitäten Einfluss genommen werden. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Mittelfaser A besonders zugsteif und biegestabil ausgelegt sein und die federelastische Segmentlagerung B weich und die Segmente, d.h. die Kraftübertragungssegmente C drucksteif ausgelegt sein.
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Die perspektivischen Ansichten der 5 zeigen eine Möglichkeit der räumlichen Ausprägung der Variante V2. Diese Ausführung stellt eine sehr einfache Umsetzung dar, bei der die spezielle Formgebung nicht nur durch Spritzgießen sondern auch als Profil mittels Strangguss hergestellt werden kann. Die sehr dünnen Trennspalte T zwischen den Segmenten müssten ggf. nachträglich hineingeschnitten werden.
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Als Ergänzung bzw. Verbesserung könnten auf den Seitenflächen 11 der Segmente kleine linsenförmige Formelemente 12 mit entsprechenden Gegenflächen am benachbarten Segment angebracht oder eingearbeitet sein, die ein Verhaken der benachbarten Segmente bewirken können und durch Verformung auseinandergleiten können, um ein definiertes Auslösen bei einer bestimmten Kollisionskraft zu begünstigen und somit eine Kraftschwelle vorzugeben.
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Neben Formelementen 12 können auch die Reibwerte der Seitenflächen 11 speziell angepasst werden oder andere Prinzipien eingesetzt werden, die eine Bindungskraft erzeugen und die Elemente bis zu einem Grenzwert radial zusammenhalten, wie beispielsweise Magnete oder Klettverbindungsstreifen. Die Magnete können Dauermagnete sein. Alternativ können die Magnete Elektromagnete sein.
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Des Weiteren können die Segmente, wie in 5 unten dargestellt ist, an der Seitenfläche 11 große Formelemente 13 aufweisen, die formschlüssige in die benachbarten Segmente so eingreifen, dass die Segmente nicht nur Druckkräfte gut übertragen können, sondern auch Scherkräfte und Schnittmomente über die Segmente hinweg stabil leiten, wie sie bei einer Querkraftbelastung in Y-Richtung oder einer Momentbelastung um die Z-Richtung entstehen. Dieser Aufbau verbessert die Steifigkeit besonders vorteilhaft. Die hier dargestellten Formelemente 13 sind beispielhaft.
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Das Formelement 13 besitzt im Gegensatz zu den linsenförmigen Formelementen 12 wie in 5 Mitte dargestellt ist, keinen Schwellwert, ab dem einer Bewegung in Kraftrichtung nachgegeben wird.
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Es können die linsenförmigen Formelementen 12 auch mit den Formelement 13 kombiniert werden. Allerdings sei dabei zu erwähnen, dass die Fertigbarkeit ggf. dadurch verschlechtert wird. Mittels generativer Fertigungsverfahren sind jedoch alle Merkmale problemlos herstellbar.
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Als weitere Ausführungsform bietet sich die Variante V4 an, wie sie in 6 oben dargestellt ist. Die Variante V4 weist eine noch höhere Steifigkeit im Normalbetrieb bei Momentbelastung um die Y-Richtung bzw. bei Querkraft in Z-Richtung auf, da die federelastische Segmentlagerung B spezielle Federelemente 14 enthält, die abweichend zu den Varianten V1 bis V3 eine Längsausrichtung besitzen. Dadurch können Scherkräfte, die den oben genannten Belastungen entstehen, besser auf die Mittelfaser A übertragen werden und entlasten die Anschläge, da hier keine durchgängige Druckkraftübertragung über die gesamte Segmentreihe erforderlich ist.
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Das jeweilige Federelement 14 ist so gestaltet, dass es bei Kollision einfedern kann. Die zulaufende keilförmige Form ermöglicht, dass das jeweilige Kraftübertragungssegment C in den Freiraum des Federelements 14 wie dargestellt eintauchen kann, um eine Stauchung auf der Druckseite zu ermöglichen. Die Längsausrichtung der Federelemente 14 beeinflusst auch das Biegeverhalten der Mittelfaser A, die bei Auslenkung in den einen Bereichen versteift wird und im Wesentlichen nur noch in anderen Bereichen spürbare Elastizität aufweisen.
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Auch diese Variante V4 ist mit den Formelementen 12 und 13 kombinierbar.
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Als letztes aufgeführtes Ausführungsbeispiel wird noch eine Variante V5 in 6 unten aufgezeigt, welches eine räumliche Auslösung der Segmente in allen Kollisionsrichtungen ermöglicht und bevorzugt für die freien räumlichen Bewegungen eines 6-Achs-Roboters geeignet sind. Dabei ist der variabelelastische Teil wieder aus den Funktionselementen Mittelfaser A, federelastische Segmentlagerung B und Kraftübertragungssegmente C aufgebaut. Die Mittelfaser A, insbesondere der Biegestab 8 ist hier als Stange in beide Querrichtungen biegbar ausgeführt.
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Die Segmente sind als aneinander anliegende Hexagone ausgebildet. Die federelastischen Elemente sind hier als speziell geschlitzte räumliche Schaumstoffkeile 15 ausgebildet, die eine unabhängige radiale Verschiebung der Segmente ermöglichen. Aufgrund der hier dargestellten geringen Segmentgröße, wird eine Biegung erst ermöglicht, wenn mehrere Segmente nach innen gedrückt werden und die Drucksteifigkeit auf der Kollisionsseite aufheben.
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Der Aufbau der federelastischen Segmentlagerung B mittels formelastischem Material wie Schaumstoff kann auch in den Varianten V1 bis V4 Anwendung finden. Dabei kann der Schaumstoff so geschlitzt werden, dass die Segmente einzeln und weitgehend unabhängig vom Nachbarsegment heruntergedrückt werden können, z.B. bei Schlitzung in Querrichtung. Ebenso können spezielle Steifigkeitseigenschaften für unterschiedliche Richtungen durch gezielte Schwächung des Schaumstoffes erzeugt werden. Des Weiteren können die Segmente in seitlicher Druckrichtung auch vorgespannt verspannt sein.
