DE102022102347A1

DE102022102347A1 - Armabschnitt für einen Roboterarm sowie Roboterarm

Info

Publication number: DE102022102347A1
Application number: DE102022102347.8A
Authority: DE
Inventors: Josef Ezechias; Jan Bühler; Jannik Göz; David Reger
Original assignee: Neura Robotics GmbH
Current assignee: Neura Robotics GmbH
Priority date: 2022-02-01
Filing date: 2022-02-01
Publication date: 2023-08-03
Also published as: WO2023148159A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Armabschnitt (11) für einen Roboterarm (10) mit einer Abschnittslängsachse (14) und mit mindestens einem Getriebemotor (16) zum Betätigen des mindestens einen Armabschnitts (11), wobei der Getriebemotor (16) einen Motor (18), ein Getriebe (20) und ein Getriebemotorgehäuse (22) aufweist, wobei entlang der Abschnittslängsachse (14) im Bereich des Getriebemotorgehäuses (22) eine tragende Struktur des Armabschnitts zumindest abschnittsweise ausschließlich durch das Getriebemotorgehäuse (22) gebildet ist, sowieeinen Roboterarm (10) mit einem eine erste Abschnittslängsachse (14a) und einen ersten Getriebemotor (16a) aufweisenden ersten Armabschnitt (11a) sowie einem eine zweite Abschnittslängsachse (14b) und einen zweiten Getriebemotor (16b) aufweisenden, an den ersten Armabschnitt (11a) angrenzenden, zweiten Armabschnitt (11b), wobei der zweite Armabschnitt (11b) relativ zu dem ersten Armabschnitt (11a) rotatorisch um eine zur ersten Abschnittlängsachse (14a) und zur zweiten Abschnittslängsachse (14b) winklig versetzt angeordnete Knickachse (38) gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Armabschnitt für einen Roboterarm sowie einen Roboterarm.
Für Roboter, insbesondere für kollaborative Roboter und für kognitive Roboter, werden breite Anwendungsbereiche in der Industrie, Montage, Küche, Massage, Screening, Hotels, Pflegeheim, Haushalt und Service dauerhaft geprüft und erschlossen.
Kollaborative und kognitive Roboter arbeiten und kooperieren üblicherweise mit den Menschen ohne Schutzeinrichtungen wie z.B. Umzäunung. An derartige Roboter werden bezüglich der Sicherheit daher besonders hohen Anforderungen gestellt, um das Verletzungsrisiko für den Menschen auszuschließen. Häufig sind derartige Roboter als einarmige Roboter ausgebildet, die einen Roboterarm aufweisen.
Aktueller Stand der Technik ist, dass derartige Roboterarme kantig und winkelig sind und im Bereich von rotatorischen Achsen, um die verschiedene Armabschnitte relativ zueinander gelagert sind, sehr breit bauen. Dadurch ergibt sich ein größerer Bauraum, somit zwangsläufig auch mehr störende Angriffsfläche für einen möglichen Kontakt mit Menschen und somit auch mehr Verletzungsgefahr.
Derartige Roboterarme sind beispielsweise aus der EP 3 572 192 B1 , der EP 1 433 576 B1 oder der EP 1 854 590 B1 bekannt.
Nicht nur im Hinblick auf kollaborative und kognitive Roboter, sondern auch ganz allgemein wird für Roboterarme gewünscht, dass sie schmal und leicht sind, im Verhältnis zu ihrem Arbeitsraum wenig eigenen Bauraum beanspruchen, und eine möglichst geradlinige Struktur aufweisen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Armabschnitt bereitzustellen, der es ermöglicht, einen Roboterarm derart auszubilden, dass er in Bezug auf seinen Arbeitsraum möglichst wenig eigenen Bauraum beansprucht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Armabschnitt für einen Roboterarm mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Roboterarm bereitzustellen, welcher in Bezug auf seinen Arbeitsraum möglichst wenig eigenen Bauraum beansprucht und darüber hinaus einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Roboterarm mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch einen Roboterarm gemäß dem Patentanspruch 8, 9, 13 oder 19.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Armabschnitt für einen Roboterarm weist eine Abschnittslängsachse und mindestens einen Getriebemotor zum Betätigen des mindestens einen Armabschnitts auf. Der Getriebemotor weist einen Motor, ein Getriebe und ein Getriebemotorgehäuse auf, wobei entlang der Abschnittslängsachse im Bereich des Getriebemotorgehäuses eine tragende Struktur des Armabschnitts zumindest abschnittsweise ausschließlich durch das Getriebemotorgehäuse gebildet ist. Im Bereich des Getriebemotorgehäuses kann ein zusätzliches Tragelement damit ganz entfallen. Damit kann der erfindungsgemäße Armabschnitt gegenüber dem Stand der Technik einen kleineren Bauraum aufweisen.
Der Armabschnitt erstreckt sich vorzugsweise in eine der drei Raumrichtungen länger als in die anderen. Die Abschnittslängsachse ist vorzugsweise entlang dieser Raumrichtung ausgerichtet. Bevorzugt ist die Abschnittslängsachse als Gerade ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Armabschnitt zumindest abschnittsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Der Begriff des Betätigens umfasst hier und im Folgenden vorzugsweise sowohl das Antreiben als auch das Bremsen. Der Getriebemotor kann daher auch eine Bremseinheit umfassen. Darüber hinaus kann der Getriebemotor eine Encodereinheit, insbesondere zur Positionsbestimmung des Getriebemotors, aufweisen. Der mindestens eine Armabschnitt kann gegenüber einem anderen Armabschnitt oder der Umgebung betätigt werden. Als Armabschnitt wird dabei vorzugsweise der Abschnitt eines Roboterarms bezeichnet, der relativ zu einem anderen Abschnitt des Roboterarms bewegbar ist. Üblicherweise ist der Armabschnitt an zwei Anschlussstellen insbesondere gegenüber einem anderen Armabschnitt oder gegenüber der Umgebung gelagert. Die tragende Struktur des Armabschnitts verbindet vorzugsweise die zwei Anschlussstellen miteinander mit der Aufgabe, Kräfte und Drehmomente zwischen den Anschlussstellen zu übertragen.
Im Bereich des Getriebemotorgehäuses entlang der Abschnittslängsachse wird die tragende Struktur des Armabschnitts zumindest abschnittsweise ausschließlich durch das Getriebemotorgehäuse gebildet. Dadurch kann in diesem Bereich die Funktion „Übertragen von Kräften und Drehmomenten zwischen den Anschlussstellen des Armabschnitts“ in das Getriebemotorgehäuse integriert werden. Zumindest im Bereich des Getriebemotorgehäuses kann der Armabschnitt damit frei von einem zusätzlichen Tragelement ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist der Armabschnitt gerade ausgebildet. Dabei kann die Abschnittslängsachse die Anschlussstellen des Armabschnitts in gerader Linie miteinander verbinden. Der Armabschnitt kann damit insbesondere frei von Krümmungen sein. Dadurch kann ein platzsparender Aufbau des Roboterarm erreicht werden. Außerdem kann dadurch die Herstellung des Armabschnitts vereinfacht werden. Insbesondere kann damit eine modulare Bauweise des Roboterarms einfacher realisiert werden.
Vorzugsweise ist eine Abtriebswelle des Getriebemotors parallel zu der Abschnittslängsachse angeordnet. Mit einer derartigen Anordnung kann ein kleiner Bauraum erreicht werden. Insbesondere kann damit vermieden werden, dass der Roboterarm im Bereich der Anschlussstellen breit baut und viel Raum beansprucht. Außerdem kann von der winkligen und oft kantigen Bauform herkömmlicher Armabschnitte abgewichen werden, wodurch insbesondere das Verletzungsrisiko verringert werden kann. Der Begriff „parallel“ schließt dabei vorzugsweise eine zusammenfallende oder aneinander anschließende Anordnung der Abtriebswelle und der Abschnittslängsachse mit ein. Das Getriebemotorgehäuse kann zylinderförmig ausgebildet sein, wobei die Abtriebswelle an einer Stirnseite aus dem Getriebemotorgehäuse austreten kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Getriebemotor eine Motorwelle auf, die als Hohlwelle ausgebildet ist. Die Motorwelle kann damit insbesondere der Leitungsdurchführung dienen. Dadurch kann der Armabschnitt kompakter aufgebaut und hinsichtlich des Bauraums weiter optimiert werden. In der Motorwelle geführte Leitungen können beispielsweise elektrische Leitungen oder Medien führende Leitungen wie Druckluftleitungen sein.
Das Getriebe ist vorzugsweise als Dreiwellengetriebe ausgebildet. Derartige Getriebe können große Übersetzungsverhältnisse bei gleichzeitig kleinem Bauraum realisieren. Das Dreiwellengetriebe kann beispielsweise als Planetengetriebe, Zykloidgetriebe oder Wellgetriebe ausgebildet sein.
An dem Armabschnitt können entlang der Abschnittslängsachse ein weiterer Getriebemotor und/oder ein Verlängerungsstück zur Verlängerung des Armabschnitts und/oder weitere Funktionsmodule anordenbar sein. Der weitere Getriebemotor, das Verlängerungsstück und die weiteren Funktionsmodule bilden vorzugsweise einen Bestandteil des Armabschnitts. Der weitere Getriebemotor kann so angeordnet sein, dass jeder der Getriebemotoren den Armabschnitt hinsichtlich einer der Anschlussstellen betätigen kann. Durch das Anordnen des Verlängerungsstücks kann die Länge des Armabschnitts entlang der Abschnittslängsachse an die jeweiligen Randbedingungen angepasst werden. Vorzugsweise steht das Verlängerungsstück in unterschiedlichen Längen zur Verfügung. Eines der weiteren Funktionsmodule kann beispielsweise durch ein Modul zur Statusanzeige gebildet werden, das beispielsweise Informationen über den Betriebszustand des Getriebemotors oder des Armabschnitts wiedergibt. Darüber hinaus kann eines der weiteren Funktionsmodule als Eingabemodul ausgebildet sein. Vorzugsweise bilden der weitere Getriebemotor, das Verlängerungsstück und die weiteren Funktionsmodule jeweils zumindest abschnittsweise entlang der Abschnittslängsachse die alleinige tragende Struktur des Armabschnitts. Ein erfindungsgemäßer Roboterarm umfasst mindestens einen vorstehend beschriebenen Armabschnitt.
Ein erfindungsgemäßer Roboterarm kann einen eine erste Abschnittslängsachse und einen ersten Getriebemotor aufweisenden ersten Armabschnitt sowie einen eine zweite Abschnittslängsachse und einen zweiten Getriebemotor aufweisenden, an den ersten Armabschnitt angrenzenden, zweiten Armabschnitt aufweisen, wobei der zweite Armabschnitt relativ zu dem ersten Armabschnitt rotatorisch um eine zur ersten Abschnittlängsachse und zur zweiten Abschnittslängsachse winklig versetzt angeordnete Knickachse gelagert ist. Dabei sind der erste Armabschnitt und der zweite Armabschnitt jeweils durch den zuvor beschriebenen Armabschnitt ausgebildet. Vorzugsweise weist die Knickachse gegenüber der ersten Abschnittslängsachse und/oder gegenüber der zweiten Abschnittslängsachse einen rechtwinkligen Versatz auf. Die Knickachse ist bevorzugt außerhalb des ersten und des zweiten Armabschnitts angeordnet.
Der Roboterarm kann derart ausgebildet sein, dass ein um die Knickachse wirkendes Drehmoment mittels eines Winkelgetriebes, das ein an dem zweiten Armabschnitt angeordnetes antreibendes Element und ein an dem ersten Abschnitt angeordnetes abtreibendes Element aufweist, zwischen dem zweiten Armabschnitt und dem ersten Armabschnitt übertragbar ist. Dadurch kann das Drehmoment mit geringem Bauraumbedarf von dem zweiten Armabschnitt auf den ersten Armabschnitt übertragen werden und umgekehrt. Insbesondere kann damit ein Roboterarm realisiert werden, der frei ist von einem raumgreifenden und winkligen Aufbau im Bereich der Knickachse. Vorzugsweise ist das antreibende Element des Winkelgetriebes drehfest mit einer zweiten Abtriebswelle des zweiten Getriebemotors verbunden oder wird durch diese gebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die zweite Abtriebswelle mit einem winkligen, insbesondere rechtwinkligen, Versatz zu der Knickachse angeordnet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das antreibende Element an dem zweiten Getriebemotor und das abtreibende Element an dem ersten Armabschnitt angeordnet. Damit kann der zweite Armabschnitt relativ zu dem ersten Armabschnitt von dem zweiten Armabschnitt aus betätigt werden. Da der erste Armabschnitt vorzugsweise nur das abtreibende Element aufweisen muss, um eine Drehmomentübertragung realisieren zu können, kann der Roboterarm insbesondere hinsichtlich des ersten Armabschnitts wenig raumgreifend aufgebaut sein.
Das Winkelgetriebe kann ausgehend von dem antreibenden Element eine Übersetzung ins Langsame aufweisen. Auf diese Weise kann das an der Knickachse erforderliche hohe Drehmoment direkt an der Knickachse erzeugt werden und der aus Sicht des zweiten Getriebemotors davor angeordnete Antriebsstrang entsprechend leicht und raumsparend dimensioniert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Winkelgetriebe als Kegelradgetriebe ausgebildet und das antreibende Element von einem Antriebskegelrad und das abtreibende Element von einem Abtriebskegelrad gebildet. Das Kegelradgetriebe stellt eine leichte und kostengünstige Realisierung des Winkelgetriebes dar.
Bei einem erfindungsgemäßen Roboterarm kann der zweite Armabschnitt gegenüber einem ersten Armabschnitt derart um die Knickachse gelagert sein, dass der erste Armabschnitt ein gabelförmiges erstes Anschlusselement mit einem ersten Gabelfortsatz und einem zweiten Gabelfortsatz aufweist, wobei zwischen dem ersten Gabelfortsatz und dem zweiten Gabelfortsatz ein zweites Anschlusselement des zweiten Armabschnitts angeordnet ist. Dadurch kann eine steife Lagerung bei gleichzeitig geringem Gewicht realisiert werden. Vorzugsweise bilden der erste Gabelfortsatz und der zweite Gabelfortsatz die beiden Schenkel eines U.
Das zweite Anschlusselement ist vorzugsweise gabelförmig mit einem dritten Gabelfortsatz und einem vierten Gabelfortsatz ausgebildet, wobei der dritte Gabelfortsatz gegen den ersten Gabelfortsatz und der vierte Gabelfortsatz gegen den zweiten Gabelfortsatz gelagert sein kann. Damit kann die Lagerung hinsichtlich Gewicht und Steifigkeit weiter verbessert werden.
Das erste Anschlusselement kann in einer von der Knickachse und der ersten Abschnittslängsachse aufgespannten gedachten ersten Ebene und/oder das zweite Anschlusselement kann in einer von der Knickachse und der zweiten Abschnittslängsachse aufgespannten gedachten zweiten Ebene jeweils einen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Das erste Anschlusselement und/oder das zweiten Anschlusselement weisen damit vorzugsweise einen schalenförmigen Querschnitt auf. Dadurch kann die Steifigkeit der Anschlusselemente erhöht werden. Die U-Form kann dabei derart ausgestaltet sein, dass sie einen konstanten Radius aufweist. Damit kann der Querschnitt des jeweiligen Anschlusselements kugelförmig ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das abtreibende Element des Winkelgetriebes drehfest mit dem ersten Gabelfortsatz und/oder dem zweiten Gabelfortsatz des ersten Anschlusselements verbunden. Auf diese Weise kann die Drehmomentübertragung um die Knickachse konstruktiv einfach und platzsparend realisiert werden.
Besonders bevorzugt weist das zweite Anschlusselement ein Gehäuse für das Winkelgetriebe auf. Das Gehäuse kann in das zweite Anschlusselement integriert sein. Dadurch kann der Roboterarm besonders sicher, insbesondere im Hinblick auf eine Kollaboration mit Menschen, ausgebildet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Anschlusselement einen Winkelsensor zur Ermittlung der Position des abtreibenden Elements aufweisen. Insbesondere zusammen mit einer in dem zweiten Getriebemotor angeordneten Encodereinheit kann damit eine zuverlässige weil redundante Positionsmessung erfolgen.
Der Roboterarm kann derart ausgebildet sein, dass der erste Armabschnitt an eine Basis angrenzt, wobei der erste Armabschnitt relativ zu der Basis mittels des ersten Getriebemotors betätigbar ist, wobei der zweite Armabschnitt relativ zu dem ersten Armabschnitt mittels des zweiten Getriebemotors betätigbar ist, und wobei der zweite Armabschnitt einen dritten Getriebemotor aufweist, mittels dessen ein an den zweiten Armabschnitt angrenzender dritter Armabschnitt relativ zu dem zweiten Armabschnitt betätigbar ist. Die Basis bildet dabei vorzugsweise die Schnittstelle zwischen dem Roboterarm und der Umgebung. Dadurch dass der erste Armabschnitt vorzugsweise nur den ersten Getriebemotor aufweist, kann er entlang der ersten Abschnittslängsachse sehr kurz ausgebildet werden. Dadurch können mit dem von der Basis entfernten Ende des Roboterarms mit relativ kleinen Bewegungen und geringem Aufwand Punkte in der nahen Umgebung der Basis erreicht werden. Insgesamt kann damit der Arbeitsraum des Roboterarms im Vergleich zu dessen Bauraum zusätzlich erweitert werden. Der Begriff des Arbeitsraums beschreibt dabei die Gesamtheit aller Punkte die von dem der Basis entfernten Ende des Roboterarm erreicht werden können.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der erste Armabschnitt relativ zu der Basis rotatorisch um die erste Abschnittslängsachse gelagert und der dritte Armabschnitt relativ zu dem zweiten Armabschnitt rotatorisch um die zweite Abschnittslängsachse gelagert. Durch eine derartige Anordnung kann ein großer Arbeitsraum bei gleichzeitig geringem Bauraum des Roboterarms realisiert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist an mindestens einem der Armabschnitte des Roboterarms eine flexible energiedissipierende Hülle angeordnet, die den Roboterarm zumindest teilweise bedeckt. Bei einer im Bereich der Hülle stattfindenden Kollision des Roboterarms mit in der Umgebung befindlichen Personen oder Gegenständen kann dadurch die an der Kontaktstelle wirkende Energie seitens des Roboterarms schnell und wirkungsvoll abgeführt werden und die Energieeinwirkung auf die kollidierende Person oder den Gegenstand und deren beziehungsweise dessen damit einhergehende Verformung minimiert werden. Dadurch kann die Verletzungsgefahr, insbesondere bei Verwendung des Roboterarms mit einem kollaborativen Roboter, verringert werden.
Dieser Effekt kann verstärkt werden, indem die Hülle federnd an dem Roboterarm gelagert ist. Insbesondere kann die Hülle mittels mindestens eines Falzes federnd an dem Roboterarm gelagert sein.
Die Hülle kann mindestens einen Sensor zur Detektion einer Kollision des Roboterarms aufweisen. Der Sensor kann insbesondere als Berührungssensor und/oder Näherungssensor und/oder Verformungssensor ausgebildet sein. Der Berührungssensor kann eine Berührung und damit eine Kollision mit einer Person oder einem Gegenstand detektieren. Der Näherungssensor kann eine Annäherung an eine Person oder einen Gegenstand bereits im Vorfeld einer Kollision detektieren. Der Verformungssensor kann eine Verformung der Hülle infolge einer Kollision detektieren. Infolge einer oder mehrerer der zuvor beschriebenen Detektionen können Maßnahmen zur Vermeidung und/oder Abschwächung der Kollision oder deren Folgen getroffen werden. Insbesondere kann eine sofortige Unterbrechung der Bewegung des Roboterarms veranlasst werden. Dadurch kann die Sicherheit, insbesondere bei einem kollaborativen Einsatz des Roboterarms, weiter erhöht werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Roboterarms mit mehreren Armabschnitten in einer ersten Pose,
2a eine Explosionsdarstellung eines Teils eines Armabschnitts und eines Abtriebskegelrads,
2b eine perspektivische Schnittansicht der in 4a gezeigten Anordnung,
3 eine perspektivische Ansicht des zweiten Armabschnitts des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels und gabelförmigen Anschlusselementen der angrenzenden Armabschnitte,
4 eine perspektivische Schnittansicht des in 1 gezeigten Roboterarms in einer zweiten Pose,
5 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Roboterarms,
6a den in 1 gezeigten Roboterarm in einer dritten Pose,
6b einen Roboterarm des Stands der Technik in derselben Pose wie der in 6a gezeigte Roboterarm.
7a einen Querschnitt des in 6b gezeigten Roboterarms mit gekennzeichnetem Ausschnitt A,
7b den in 7a gekennzeichneten Ausschnitt A des in 7a gezeigten Querschnitts,
8a eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Roboterarms mit einer Hülle,
8b eine perspektivische Ansicht der in 8a gezeigten Hülle.

Die 1 bis 8b zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele. Für gleiche und funktionsgleiche Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiels eines Roboterarms 10 mit mehreren Armabschnitten 11. Ein Teil einer der Armabschnitte 11 ist zusammen mit einem Abtriebskegelrad 12 in 2a gezeigt. Der Armabschnitt 11 weist eine Abschnittslängsachse 14 und einen Getriebemotor 16 zum Betätigen des Armabschnitts 11 auf. Wie in 2b dargestellt, weist der Getriebemotor 16 einen Motor 18, ein Getriebe 20 und ein Getriebemotorgehäuse 22 auf, wobei entlang der Abschnittslängsachse 14 im Bereich des Getriebemotorgehäuses 22 eine tragende Struktur des Armabschnitts 11 zumindest abschnittsweise ausschließlich durch das Getriebemotorgehäuse 22 gebildet ist.
Wie insbesondere aus den 3 hervorgeht, kann sich der Armabschnitt 11 in eine der drei Raumrichtungen länger als in die anderen erstrecken. Die Abschnittslängsachse 14 ist vorzugsweise entlang dieser Raumrichtung ausgerichtet und als Gerade ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Armabschnitt 11 zumindest abschnittsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet.
Der Getriebemotor 16 kann eine Bremseinheit 24 umfassen ( 2b). Darüber hinaus kann der Getriebemotor 16 eine Encodereinheit 26, insbesondere zur Positionsbestimmung des Getriebemotors 16, aufweisen, für die in 2b nur ein leerer Abschnitt des Getriebemotorgehäuses 22 dargestellt ist.
Der Armabschnitt 11 kann gegenüber einem anderen Armabschnitt 11 oder der Umgebung betätigt werden. Üblicherweise ist der Armabschnitt 11 an zwei Anschlussstellen 28 insbesondere gegenüber einem anderen Armabschnitt 11 oder gegenüber der Umgebung gelagert. Die tragende Struktur des Armabschnitts 11 verbindet vorzugsweise die zwei Anschlussstellen 28 miteinander mit der Aufgabe, Kräfte und Drehmomente zwischen den Anschlussstellen 28 zu übertragen.
Im Bereich des Getriebemotorgehäuses 22 entlang der Abschnittslängsachse 14 wird die tragende Struktur des Armabschnitts 11 zumindest abschnittsweise ausschließlich durch das Getriebemotorgehäuse 22 gebildet. Dadurch kann in diesem Bereich die Funktion „Übertragen von Kräften und Drehmomenten zwischen den Anschlussstellen 28 des Armabschnitts 11“ in das Getriebemotorgehäuse 22 integriert werden. Zumindest im Bereich des Getriebemotorgehäuses 22 kann der Armabschnitt 11 damit frei von einem zusätzlichen Tragelement ausgebildet sein.
Ein derartiges zusätzliches Tragelement kann beispielsweise ein zusätzliches Robotergehäuse 219 sein, wie es in 6b gezeigt ist. Während 6a einen Roboterarm 10 zeigt, ist in 6b ein Roboterarm 210 des Stands der Technik dargestellt. Der Roboterarm 210 weist Armabschnitte 211 auf. In dem herkömmlichen Roboterarm 210 sind dort verwendete Getriebemotoren 216 jeweils in einem Robotergehäuse 219 angeordnet, das die tragende Struktur des jeweiligen Armabschnitts 211 bildet. 7a zeigt einen Querschnitt durch den herkömmlichen Roboterarm 210. Insbesondere der in 7b vergrößert dargestellte Ausschnitt A zeigt, dass bei dem herkömmlichen Roboterarm 210 der Getriebemotor 216 ein Getriebemotorgehäuse 222 aufweist. Das Getriebemotorgehäuse 222 ist gegen das Robotergehäuse 219 abgestützt, das das Getriebemotorgehäuse 222 vollständig umgibt. Die tragende Struktur, die die zwei Anschlussstellen miteinander verbindet und Kräfte und Drehmomente zwischen Anschlussstellen 228 des Armabschnitts überträgt, wird im Bereich des Getriebemotorgehäuses 222 durch das Robotergehäuse 219 gebildet. Im Bereich der Getriebemotoren 216 wird die tragende Struktur damit durch das Robotergehäuse 219 gebildet.
Wie insbesondere in 3 dargestellt ist, ist der Armabschnitt 11 vorzugsweise gerade ausgebildet. Dabei kann die Abschnittslängsachse 14 eine die Anschlussstellen 28 des Armabschnitts 11 in gerader Linie miteinander verbinden. Der Armabschnitt 11 kann damit insbesondere frei von Krümmungen sein. Wie der Vergleich der in 6a und 6b dargestellten Roboterarme 10, 210 zeigt, kann der Roboterarm 10 dadurch deutlich weniger raumgreifend ausgebildet sein, wohingegen der Roboterarm 210 des Stands der Technik unter anderem durch die gekrümmt ausgebildeten Armabschnitte 211 deutlich breiter baut.
Der Querschnitt in 2b zeigt, dass eine Abtriebswelle 30 des Getriebemotors 16 vorzugsweise parallel zu der Abschnittslängsachse 14 angeordnet ist. Mit einer derartigen Anordnung kann insbesondere vermieden werden, dass der Roboterarm 10 im Bereich der Anschlussstellen 28 breit baut und viel Raum beansprucht. Zur Veranschaulichung wird auf 6b verwiesen. Der dort gezeigte Roboterarm 210 weist gegenüber dem Roboterarm 10 insbesondere im Bereich der Anschlussstellen 228 einen besonders raumgreifenden Aufbau auf. Das Getriebemotorgehäuse 22 kann zylinderförmig ausgebildet sein, wobei die Abtriebswelle 30 an einer Stirnseite 32 aus dem Getriebemotorgehäuse 22 austreten kann.
Der Getriebemotor 16 kann eine Motorwelle 34 aufweisen, die als Hohlwelle ausgebildet ist. Die Motorwelle 34 kann damit insbesondere der Leitungsdurchführung dienen. In der Motorwelle 34 geführte Leitungen können beispielsweise elektrische Leitungen oder Medien führende Leitungen wie Druckluftleitungen sein. Das Getriebe 20 ist vorzugsweise als Dreiwellengetriebe, besonders bevorzugt als Planetengetriebe ausgebildet.
An dem Armabschnitt 11 können entlang der Abschnittslängsachse 14 ein Verlängerungsstück 36 zur Verlängerung des Armabschnitts 11 anordenbar sein. Vorzugsweise steht das Verlängerungsstück 36 in unterschiedlichen Längen zur Verfügung. Das Verlängerungsstück 36 bildet vorzugsweise einen Bestandteil des Armabschnitts 11.
Das Verlängerungsstück 36 kann entlang der Abschnittslängsachse 14, insbesondere im Anschluss an das Getriebemotorgehäuse 22, zumindest abschnittsweise die alleinige tragende Struktur des Armabschnitts 11 bilden.
Der in 1, 4 und 6a dargestellte Roboterarm 10 kann einen eine erste Abschnittslängsachse 14a und einen ersten Getriebemotor 16a aufweisenden ersten Armabschnitt 11a sowie einen eine zweite Abschnittslängsachse 14b und einen zweiten Getriebemotor 16b aufweisenden, an den ersten Armabschnitt 11a angrenzenden, zweiten Armabschnitt 11b aufweisen. Der zweite Armabschnitt 11b kann relativ zu dem ersten Armabschnitt 11a rotatorisch um eine zur ersten Abschnittlängsachse 14a und zur zweiten Abschnittslängsachse 14b rechtwinklig versetzt angeordnete Knickachse 38 gelagert sein. Dabei sind der erste Armabschnitt 11a und der zweite Armabschnitt 11b jeweils durch den zuvor beschriebenen Armabschnitt 11 ausgebildet. Die Knickachse 38 ist bevorzugt außerhalb des ersten Armabschnitts 11a und des zweiten Armabschnitts 11b angeordnet.
Der Roboterarm 10 kann derart ausgebildet sein, dass ein um die Knickachse 38 wirkendes Drehmoment mittels eines als Kegelradgetriebe 40 ausgebildetes Winkelgetriebes, das ein an dem zweiten Armabschnitt 11b angeordnetes Antriebskegelrad 42 und das an dem ersten Abschnitt 11a angeordnetes Abtriebskegelrad 12 aufweist, zwischen dem zweiten Armabschnitt 11b und dem ersten Armabschnitt 11a übertragbar ist (siehe insbesondere 4). Das Kegelradgetriebe 40 ist in den 2a und 2b besonders gut sichtbar dargestellt. Insbesondere kann der Roboterarm 10 damit frei von einem raumgreifenden und winkligen Aufbau im Bereich der Knickachse 38 realisiert werden. Vorzugsweise bildet das das Antriebskegelrad 42 eine zweite Abtriebswelle 30b des zweiten Getriebemotors 16b. Die zweite Abtriebswelle 30b kann mit einem winkligen, insbesondere rechtwinkligen, Versatz zu der Knickachse 38 angeordnet sein.
Der Effekt einer derartigen Anordnung, insbesondere auf den benötigten Bauraum, zeigt sich wiederum beim Vergleich des in 6a dargestellten Roboterarms 10 mit dem in 6b dargestellten Roboterarm 210 des Stands der Technik. Im Bereich einer Knickachse 238 baut der Roboterarm 210 wesentlich breiter. Der Querschnitt in den 7a und 7b veranschaulicht den konstruktiven Hintergrund: Ein Winkelgetriebe wie das Kegelradgetriebe 40 ist nicht vorhanden. Der Getriebemotor 216 ist hingegen derart auf der Knickachse 238 angeordnet, das eine Abtriebswelle 230 des Getriebemotors 216 parallel zu der Knickachse 238 angeordnet ist.
Vorzugsweise ist das Antriebskegelrad 42 an dem zweiten Getriebemotor 16b und das Abtriebskegelrad 12 an dem ersten Armabschnitt 11a angeordnet. Damit kann der zweite Armabschnitt 11b relativ zu dem ersten Armabschnitt 11a von dem zweiten Armabschnitt 11b aus betätigt werden.
Wie insbesondere anhand des Durchmesserverhältnisses des Antriebskegelrads 42 und des Abtriebskegelrads 12 deutlich wird, kann das Kegelradgetriebe 40 ausgehend von dem Antriebskegelrad 12 eine Übersetzung ins Langsame aufweisen. Auf diese Weise kann das an der Knickachse 38 erforderliche hohe Drehmoment direkt an der Knickachse 38 erzeugt werden, und der aus Sicht des zweiten Getriebemotors 16b davor angeordnete Antriebsstrang, insbesondere das Getriebe 20, entsprechend leicht und raumsparend dimensioniert werden.
Wie in 1 dargestellt, kann der zweite Armabschnitt 11b gegenüber einem ersten Armabschnitt 11a derart um die Knickachse 38 gelagert sein, dass der erste Armabschnitt 11a ein gabelförmiges erstes Anschlusselement 46 mit einem ersten Gabelfortsatz 48 und einem zweiten Gabelfortsatz 50 aufweist, wobei zwischen dem ersten Gabelfortsatz 48 und dem zweiten Gabelfortsatz 50 ein zweites Anschlusselement 52 des zweiten Armabschnitts 11b angeordnet ist. Vorzugsweise bilden der erste Gabelfortsatz 48 und der zweite Gabelfortsatz 50 die beiden Schenkel eines U. Das Abtriebskegelrad 12 ist vorzugsweise drehfest mit dem ersten Gabelfortsatz 48 verbunden.
Das zweite Anschlusselement 52 ist vorzugsweise gabelförmig mit einem dritten Gabelfortsatz 54 und einem vierten Gabelfortsatz 56 ausgebildet, wobei der dritte Gabelfortsatz 54 gegen den ersten Gabelfortsatz 48 und der vierte Gabelfortsatz 56 gegen den zweiten Gabelfortsatz 50 gelagert sein kann.
Besonders bevorzugt weist das zweite Anschlusselement 52 ein Gehäuse für das Kegelradgetriebe 40 auf. Wie aus den 2a und 2b ersichtlich ist, kann in das zweite Anschlusselement 52 ein Gehäuse für das Kegelradgetriebe 40 integriert sein. Das zweite Anschlusselement 52 kann einen Winkelsensor 60 zur Ermittlung der Position des Abtriebskegelrads 12 aufweisen.
Das erste Anschlusselement 46 kann in einer von der Knickachse 38 und der ersten Abschnittslängsachse 14a aufgespannten, gedachten ersten Ebene einen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Das erste Anschlusselement weist damit vorzugsweise einen schalenförmigen Querschnitt auf.
Wie in 5 dargestellt, kann der Roboterarm derart ausgebildet sein, dass das um die Knickachse 38 antreibende oder bremsende Drehmoment von einer auf der Knickachse 38 angeordneten Antriebseinheit bereitgestellt wird. Dabei kann die Antriebseinheit 58 zwischen dem ersten Gabelfortsatz 48 und dem zweiten Gabelfortsatz 50 angeordnet sein, die ihrerseits wiederum zwischen dem dritten Gabelfortsatz 54 und dem vierten Gabelfortsatz 56 angeordnet sein können. Darüber hinaus zeigt die Anordnung in 5, dass neben dem ersten Anschlusselement 46 auch das zweite Anschlusselement 52 einen U-förmigen Querschnitt aufweisen kann, vorzugsweise in einer von der Knickachse 38 und der zweiten Abschnittslängsachse 14b aufgespannten, gedachten zweiten Ebene. Die U-Form kann derart ausgestaltet sein, dass sie einen konstanten Radius aufweist. Damit kann der Querschnitt des ersten Anschlusselements 46 und des zweiten Anschlusselements 52 jeweils kugelförmig ausgebildet sein.
Der in den 1, 4 und 6 dargestellte Roboterarm 10 kann derart ausgebildet sein, dass der erste Armabschnitt 11a an eine Basis 62 angrenzt, wobei der erste Armabschnitt 11a relativ zu der Basis 62 mittels des ersten Getriebemotors 16a betätigbar ist. Der zweite Armabschnitt 11b kann dabei relativ zu dem ersten Armabschnitt 11a mittels des zweiten Getriebemotors 16b betätigbar sein. Außerdem kann der zweite Armabschnitt 11b einen dritten Getriebemotor 16c aufweisen, mittels dessen ein an den zweiten Armabschnitt 11b angrenzender dritter Armabschnitt 11c relativ zu dem zweiten Armabschnitt 11b betätigbar ist. Die Basis 62 bildet dabei vorzugsweise die Schnittstelle zwischen dem Roboterarm 10 und der Umgebung. Dadurch dass der erste Armabschnitt 11a vorzugsweise nur den ersten Getriebemotor 16a aufweist, kann er entlang der ersten Abschnittslängsachse 14a sehr kurz ausgebildet werden. Dadurch können mit einem von der Basis 62 entfernten Ende 64 des Roboterarms 10 mit relativ kleinen Bewegungen und geringem Aufwand Punkte in der nahen Umgebung der Basis 62 erreicht werden.
Der erste Armabschnitt 11a ist vorzugsweise relativ zu der Basis 62 rotatorisch um die erste Abschnittslängsachse 14a gelagert. Der dritte Armabschnitt 11c ist vorzugsweise relativ zu dem zweiten Armabschnitt 11b rotatorisch um die zweite Abschnittslängsachse 14b gelagert.
Wie in 8a dargestellt, kann an mindestens einem der Armabschnitte 11, 11a, 11b des Roboterarms 10 kann eine flexible energiedissipierende Hülle 66 angeordnet sein, die den Roboterarm 10 zumindest teilweise bedeckt. Dadurch kann die Verletzungsgefahr, insbesondere bei Verwendung des Roboterarms 10 mit einem kollaborativen Roboter, verringert werden.
Dieser Effekt kann verstärkt werden, indem die Hülle 66 federnd an dem Roboterarm 10 gelagert ist. Insbesondere kann die Hülle 66 mittels mindestens eines Falzes 68 federnd an dem Roboterarm 10 gelagert sein. Die Hülle 66 in Alleinstellung ist in 8b gezeigt.
Die Hülle 66 kann mindestens einen in 8a und 8b nicht dargestellten Sensor zur Detektion einer Kollision des Roboterarms aufweisen. Dadurch kann die Sicherheit, insbesondere bei einem kollaborativen Einsatz des Roboterarms 10, weiter erhöht werden.
Bezugszeichenliste

10: Roboterarm
11: Armabschnitt
11a: erster Armabschnitt
11b: zweiter Armabschnitt
11c: dritter Armabschnitt
12: Abtriebskegelrad
14: Abschnittslängsachse
14a: erste Abschnittslängsachse
14b: zweite Abschnittslängsachse
16: Getriebemotor
16a: erster Getriebemotor
16b: zweiter Getriebemotor
16c: dritter Getriebemotor
18: Motor
20: Getriebe
22: Getriebemotorgehäuse
24: Bremseinheit
26: Encodereinheit
28: Anschlussstelle
30: Abtriebswelle
30b: zweite Abtriebswelle
32: Stirnseite
34: Motorwelle
36: Verlängerungsstück
38: Knickachse
40: Kegelradgetriebe
42: Antriebskegelrad
46: erstes Anschlusselement
48: erster Gabelfortsatz
50: zweiter Gabelfortsatz
52: zweites Anschlusselement
54: dritter Gabelfortsatz
56: vierter Gabelfortsatz
58: Antriebseinheit
60: Winkelsensor
62: Basis
64: entferntes Ende
66: Hülle
68: Falz
210: Roboterarm (Stand der Technik)
211: Armabschnitt (Stand der Technik)
216: Getriebemotor (Stand der Technik)
219: Robotergehäuse
222: Getriebemotorgehäuse
228: Anschlussstelle
230: Abtriebswelle
238: Knickachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3572192 B1 [0005]
EP 1433576 B1 [0005]
EP 1854590 B1 [0005]

Claims

Armabschnitt (11) für einen Roboterarm (10) mit einer Abschnittslängsachse (14) und mit mindestens einem Getriebemotor (16) zum Betätigen des mindestens einen Armabschnitts (11), wobei der Getriebemotor (16) einen Motor (18), ein Getriebe (20) und ein Getriebemotorgehäuse (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Abschnittslängsachse (14) im Bereich des Getriebemotorgehäuses (22) eine tragende Struktur des Armabschnitts zumindest abschnittsweise ausschließlich durch das Getriebemotorgehäuse (22) gebildet ist.
Armabschnitt (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Armabschnitt (11) gerade ausgebildet ist.
Armabschnitt (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtriebswelle (30) des Getriebemotors (16) parallel zu der Abschnittslängsachse (14) angeordnet ist.
Armabschnitt (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebemotor (16) eine Motorwelle (34) aufweist, die als Hohlwelle ausgebildet ist.
Armabschnitt (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (20) als Dreiwellengetriebe ausgebildet ist.
Armabschnitt (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Armabschnitt (11) entlang der Abschnittslängsachse (14) ein weiterer Getriebemotor (16) und/oder ein Verlängerungsstück (36) zur Verlängerung des Armabschnitts (11) und/oder weitere Funktionsmodule anordenbar sind.
Roboterarm (10) mit mindestens einem Armabschnitt (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Roboterarm (10) mit einem eine erste Abschnittslängsachse (14a) und einen ersten Getriebemotor (16a) aufweisenden ersten Armabschnitt (11a) sowie einem eine zweite Abschnittslängsachse (14b) und einen zweiten Getriebemotor (16b) aufweisenden, an den ersten Armabschnitt (11a) angrenzenden, zweiten Armabschnitt (11b), wobei der zweite Armabschnitt (11b) relativ zu dem ersten Armabschnitt (11a) rotatorisch um eine zur ersten Abschnittlängsachse (14a) und zur zweiten Abschnittslängsachse (14b) winklig versetzt angeordnete Knickachse (38) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Armabschnitt (11a) und der zweite Armabschnitt (11b) jeweils durch einen Armabschnitt (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet sind.
Roboterarm (10) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 oder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein um die Knickachse (38) wirkendes Drehmoment mittels eines Winkelgetriebes, das ein an dem zweiten Armabschnitt (11b) angeordnetes antreibendes Element und ein an dem ersten Abschnitt (11a) angeordnetes abtreibendes Element aufweist, zwischen dem zweiten Armabschnitt (11b) und dem ersten Armabschnitt (11a) übertragbar ist.
Roboterarm (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das antreibende Element an dem zweiten Getriebemotor (16b) angeordnet ist und das abtreibende Element an dem ersten Armabschnitt (11a) angeordnet ist.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelgetriebe ausgehend von dem antreibenden Element eine Übersetzung ins Langsame aufweist.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelgetriebe als Kegelradgetriebe (40) ausgebildet ist und das antreibende Element von einem Antriebskegelrad (42) und das abtreibende Element von einem Abtriebskegelrad (12) gebildet wird.
Roboterarm (10) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 oder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Armabschnitt (11b) gegenüber einem ersten Armabschnitt (11a) derart um die Knickachse (38) gelagert ist, dass der erste Armabschnitt (11a) ein gabelförmiges erstes Anschlusselement (46) mit einem ersten Gabelfortsatz (48) und einem zweiten Gabelfortsatz (50) aufweist, wobei zwischen dem ersten Gabelfortsatz (48) und dem zweiten Gabelfortsatz (50) ein zweites Anschlusselement (52) des zweiten Armabschnitts (11b) angeordnet ist.
Roboterarm (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlusselement (52) gabelförmig mit einem dritten Gabelfortsatz (54) und einem vierten Gabelfortsatz (56) ausgebildet ist, wobei der dritte Gabelfortsatz (54) gegen den ersten Gabelfortsatz (48) und der vierte Gabelfortsatz (56) gegen den zweiten Gabelfortsatz (50) gelagert ist.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anschlusselement (46) in einer von der Knickachse (38) und der ersten Abschnittslängsachse (14a) aufgespannten gedachten ersten Ebene und/oder das zweite Anschlusselement (52) in einer von der Knickachse (38) und der zweiten Abschnittslängsachse (14b) aufgespannten gedachten zweiten Ebene jeweils einen U-förmigen Querschnitt aufweisen.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 und einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das abtreibende Element des Winkelgetriebes drehfest mit dem ersten Gabelfortsatz (48) und/oder dem zweiten Gabelfortsatz (50) des ersten Anschlusselements (46) verbunden ist.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 und einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlusselement (52) ein Gehäuse für das Winkelgetriebe aufweist.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 und einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlusselement (52) einen Winkelsensor (60) zur Ermittlung der Position des abtreibenden Elements aufweist.
Roboterarm (10) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8, nach Anspruch 8, oder nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Armabschnitt (11a) an eine Basis (62) angrenzt, wobei der erste Armabschnitt (11a) relativ zu der Basis (62) mittels des ersten Getriebemotors (16a) betätigbar ist, wobei der zweite Armabschnitt (11b) relativ zu dem ersten Armabschnitt (11a) mittels des zweiten Getriebemotors (16b) betätigbar ist, und wobei der zweite Armabschnitt (11b) einen dritten Getriebemotor (16c) aufweist, mittels dessen ein an den zweiten Armabschnitt (11b) angrenzender dritter Armabschnitt (11c) relativ zu dem zweiten Armabschnitt (11b) betätigbar ist.
Roboterarm (10) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Armabschnitt (11a) relativ zu der Basis (62) rotatorisch um die erste Abschnittslängsachse (14a) gelagert ist und der dritte Armabschnitt (11c) relativ zu dem zweiten Armabschnitt (11b) rotatorisch um die zweite Abschnittslängsachse (14b) gelagert ist.
Roboterarm (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der Armabschnitte (11, 11a, 11b) eine flexible energiedissipierende Hülle (66) angeordnet ist, die den Roboterarm zumindest teilweise bedeckt.
Roboterarm (10) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (66) federnd an dem Roboterarm (10) gelagert ist.
Roboterarm (10) nach einem der Ansprüche 21 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (66) mindestens einen Sensor zur Detektion einer Kollision des Roboterarms (10) aufweist.