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Die Erfindung betrifft einen Roboterfinger für eine Roboterhand, wobei der Roboterfinger wie ein menschlicher Finger aus einer im Wesentlichen geraden Konfiguration in eine gekrümmte Konfiguration überführt werden kann, um hierdurch beispielsweise einen Gegenstand mit einer Greifkraft zu beaufschlagen, so dass der Gegenstand manipuliert oder transportiert werden kann. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine mit dem Roboterfinger ausgerüstete Roboterhand als Endeffektor eines Industrieroboters, beispielsweise eines kollaborativen Roboter, eingesetzt wird. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Roboterhand mehrere Roboterfinger aufweist.
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Die
DE10 2020 215 228 B3 offenbart eine Greifvorrichtung zum Greifen von Objekten, die mindestens eine Greifeinheit mit einem sich entlang einer Armlängsachse erstreckenden Tragarm und einer am Tragarm angeordneten Greifstruktur aufweist, wobei der Tragarm in einer Arbeitsebene krümmbar ist, um ihn zusammen mit der Greifstruktur an die Kontur eines zu greifenden Objektes anpassen zu können. Der Tragarm hat mehrere viergelenkige adaptive Armsegmente mit vier Segmentgelenken, die paarweise an vier Segmentgelenken gelenkig miteinander verbunden sind. Jedes adaptive Armsegment kann mit einer steuerbaren Blockiereinrichtung unverformbar blockiert werden, um den Tragarm in einer durch die Adaption eingestellten Arbeitsgestalt zu versteifen.
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In der
DE 11 2015 000 593 T5 wird ein Direktantriebsmotor für einen Roboterfinger beschrieben, der eine Vielzahl von äußeren Magneten und eine Spulenanordnung einschließlich einer Vielzahl von Spulen, die durch die Vielzahl von äußeren Magneten umgeben sind, enthält, wobei die Vielzahl von Spulen konfiguriert, um ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn Strom durch sie geführt wird, damit sich die Spulenanordnung relativ zu der Vielzahl von äußeren Magneten dreht. Der Direktantriebsmotor enthält weiterhin eine Vielzahl von inneren Magneten, die durch die Vielzahl von Spulen umgeben sind, und ein Kernelement, das durch die Vielzahl von inneren Magneten umgeben ist. Eine mittlere Drehwelle ist in einem Innenraum, der durch das Kernelement umschrieben wird, angeordnet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Roboterfinger für eine Roboterhand bereitzustellen, bei dem eine kompakte Bauform und eine präzise Kontrolle der Fingerkrümmung miteinander kombiniert werden.
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Diese Aufgabe wird für einen Roboterfinger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Roboterfinger drei in einer Reihenanordnung aufgereihte Fingerglieder aufweist, wobei jeweils zwei aneinander angrenzende Fingerglieder ein Gliederpaar bilden und schwenkbeweglich miteinander verbunden sind, wobei jedem der beiden Gliederpaare eine elektrische Antriebseinrichtung zugeordnet ist, die zur Einleitung einer Schwenkbewegung auf das jeweilige Gliederpaar ausgebildet ist und die eine erste Antriebskomponente und eine abstandsveränderlich zur ersten Antriebskomponente angeordnete zweite Antriebskomponente umfasst, wobei die erste Antriebskomponente und die zweite Antriebskomponente als Komponentenpaar aus der Gruppe: erste Magnetspule und zweite Magnetspule; erste Magnetspule mit erstem Magnetanker und zweite Magnetspule mit zweitem Magnetanker; Magnetspule und Permanentmagnet; Magnetspule und Magnetanker, ausgebildet sind.
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Die drei Fingerglieder für den Roboterfinger stellen eine Minimalkonfiguration dar, der Roboterfinger kann je nach den Anforderungen für den bestimmungsgemäßen Gebrauch des Roboterfingers auch vier oder mehr Fingerglieder aufweisen. In jedem Fall ist vorgesehen, dass jeweils zwei aneinander angrenzende Fingerglieder ein Gliederpaar bilden, wodurch sich bei einer Anzahl von drei Fingerglieder eine Anzahl von zwei Gliederpaaren ergibt, wobei das mittlere der drei Fingerglieder, die in einer Reihenanordnung aufgereihten sind, sowohl Bestandteil des einen Gliederpaars als auch Bestandteil des anderen Gliederpaars ist. Eine typische Konfiguration für einen Roboterfinger umfasst vier Fingerglieder, woraus sich eine Anzahl von drei Gliederpaaren sowie von drei elektrischen Antriebseinrichtungen ergibt, die den jeweiligen Gliederpaaren zugeordnet sind.
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Durch die schwenkbewegliche Verbindung jeweils aneinander angrenzender Fingerglieder kann der Roboterfinger ausgehend von einer vorzugsweise geraden Ruheposition, in der die jeweiligen Gliederpaare jeweils eine Öffnungsstellung einnehmen, in eine gekrümmte Funktionsposition überführt werden, in der die jeweiligen Gliederpaare durch die Einwirkung der jeweils zugeordneten elektrischen Antriebseinrichtung jeweils eine Schließstellung einnehmen oder zumindest von der elektrischen Antriebseinrichtung aus der Öffnungsstellung in Richtung der Schließstellung bewegt worden sind.
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Jeden der elektrischen Antriebseinrichtungen umfasst eine erste Antriebskomponente und eine zweite Antriebskomponente, wobei die beiden Antriebskomponenten durch Bereitstellung von elektrischer Energie derart in Wechselwirkung treten können, dass zwischen der ersten Antriebskomponente und der zweiten Antriebskomponente eine Kraftwirkung hervorgerufen wird, die zu einer Schwenkbewegung zwischen den beiden Fingergliedern des jeweiligen Gliederpaars führt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die erste Antriebseinrichtung mit dem einem der beiden Fingerglieder des jeweiligen Gliederpaars verbunden ist, insbesondere in dem einen Fingerglied integriert ist, und dass die zweite Antriebseinrichtung mit dem anderen der beiden Fingerglieder des jeweiligen Gliederpaars verbunden ist, gegebenenfalls in dem anderen Fingerglied integriert ist.
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Die elektrische Antriebseinrichtung kann in unterschiedlichen Ausführungsformen verwirklicht werden, bei denen stets zu Grunde liegt, dass wenigstens eine Antriebskomponente als Magnetspule ausgebildet ist und dass die zweite Antriebskomponente im Zuge der Schwenkbewegung zwischen den beiden Fingergliedern des jeweiligen Gliederpaars eine Abstandsveränderung gegenüber der ersten Antriebskomponente vollzieht.
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Vorzugsweise ist die Magnetspule aus einem elektrisch leitenden Drahtmaterial, insbesondere Kupferdraht, hergestellt und weist insbesondere einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass die Wicklungen der Magnetspule auf einen, vorzugsweise hülsenförmig ausgebildeten, Spulenkörper gewickelt sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn zwischen den benachbart angeordneten Fingergliedern des jeweiligen Gliederpaars ein keilförmiger Bewegungsspalt ausgebildet ist, der in einer Öffnungsstellung des jeweiligen Gliederpaars einen ersten Keilwinkel aufweist und der in Schließstellung des jeweiligen Gliederpaars einen zweiten, insbesondere verschwindenden, Keilwinkel aufweist, wobei der zweite Keilwinkel kleiner als der erste Keilwinkel ist.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass die beiden Fingerglieder des jeweiligen Gliederpaars jeweils eine dem anderen Fingerglied des Gliederpaars zugewandte, zumindest im Wesentlichen eben ausgebildete Endfläche aufweisen und dass die beiden Endflächen der beiden Fingerglieder randseitig schwenkbeweglich miteinander verbunden sind. Bei einer Schwenkbewegung der beiden Fingerglieder verändert sich somit ein durch die beiden Endflächen bestimmter Keilwinkel, der in einer Öffnungsstellung des jeweiligen Gliederpaars als erster Keilwinkel bezeichnet wird und einen ersten Winkelbetrag aufweist. In der Öffnungsstellung kann beispielsweise ein Abstand zwischen einem Flächenmittelpunkt der einen Endfläche und einem Flächenmittelpunkt der anderen Endfläche bestimmt werden, der sich im Zuge der Schwenkbewegung der beiden Fingerglieder in Richtung der Schließstellung reduziert. In der Schließstellung kann vorgesehen sein, dass dieser Abstand gegen Null geht, also verschwinden ist, und dass auch der Winkelbetrag für den Keilwinkel zwischen den beiden Endflächen kleiner als in der Öffnungsstellung ist und insbesondere gegen Null geht, also verschwindet.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Antriebskomponente als Magnetspule mit einer Spulenmittelachse ausgebildet ist und dem einen Fingerglied des jeweiligen Gliederpaars zugeordnet ist und dass die zweite Antriebskomponente als Ringmagnet mit einer Magnetpolachse ausgebildet ist, die dem anderen Fingerglied des jeweiligen Gliederpaars zugeordnet ist, wobei die Spulenmittelachse und die Magnetpolachse in der Schließstellung parallel, insbesondere koaxial, zueinander ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist die Magnetspule derart in dem einen Fingerglied des Gliederpaars angeordnet, dass die Spulenmittelachse quer zur Endfläche des Fingerglieds ausgerichtet ist und dessen Flächennormale bildet. Ferner ist vorgesehen, dass die zweite Antriebskomponente, die dem anderen Fingerglied des Gliederpaars zugeordnet ist, als Ringmagnet ausgeführt ist, der in axialer Richtung magnetisiert ist. Dementsprechend ist eine vom magnetischen Fluss des Ringmagneten bestimmte Magnetpolachse parallel, insbesondere koaxial zu einer Rotationssymmetrieachse des Ringmagneten ausgerichtet. Bevorzugt ist der Ringmagnets derart in dem anderen Fingerglied des Gliederpaars angeordnet, dass die Magnetpolachse quer zur Endfläche des Fingerglieds ausgerichtet ist und dessen Flächennormale bildet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Spulenmittelachse die Endfläche des einen Fingerglieds im Bereich des Flächenmittelpunkts der Endfläche schneidet und dass die Magnetpolachse des anderen Fingerglieds die Endfläche dieses Fingerglieds im Bereich des Flächenmittelpunkts der Endfläche schneidet. Bevorzugt sind die Magnetspule und der Ringmagnets derart in den schwenkbeweglich miteinander verbundenen Fingergliedern angeordnet, dass die Spulenmittelachse und die Magnetpolachse in der Schließstellung des Gliederpaars parallel, insbesondere koaxial, zueinander ausgerichtet sind. Bei einer Bereitstellung eines Spulenstroms an die Magnetspule wird von der Magnetspule ein magnetischer Fluss bereitgestellt, wobei eine Flußrichtung im Wesentlichen parallel zur Spulenmittelachse ausgerichtet ist. Hierdurch kommt es zu einer magnetischen Wechselwirkung mit dem magnetischen Fluss, der vom Ringmagneten bereitgestellt wird, wobei eine Polung des Spulenstroms vorzugsweise derart gewählt ist, dass die beiden magnetischen Flüsse gegensinnig Stehpult wird und somit zu einer Ausbildung von Anziehungskräften zwischen den beiden Antriebskomponenten kommt. Sofern diese Anziehungskräfte ausreichend groß sind, um einen Bewegungswiderstand der Schwenklagerung zwischen den beiden Fingerglieder des Gliederpaars sowie gegebenenfalls eine Rückstellkraft einer eventuell vorgesehenen Rückstellfeder zu überwinden, kommt es zu gewünschten Annäherung der beiden Fingerglieder im Zuge einer Schwenkbewegung.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Antriebskomponente als erste Magnetspule mit einem linearbeweglich in der ersten Magnetspule gelagerten ersten Magnetanker ausgebildet ist und dem einen Fingerglied des jeweiligen Gliederpaars zugeordnet ist und dass die zweite Antriebskomponente als zweite Magnetspule mit einem linearbeweglich in der zweiten Magnetspule gelagerten zweiten Magnetanker ausgebildet ist und dem anderen Fingerglied des jeweiligen Gliederpaars zugeordnet ist, und wobei der erste Magnetanker schwenkbeweglich mit dem zweiten Magnetanker verbunden ist. Hierbei ist der jeweilige Magnetanker aus einem magnetflussleitenden, insbesondere einem ferromagnetischen, Material hergestellt und ist zumindest abschnittsweise in einer Spulenausnehmung der jeweiligen Magnetspule aufgenommen und dort längs einer Bewegungsachse, die parallel zur Spulenmittelachse ausgerichtet ist, linearbeweglich gelagert. Vorzugsweise ist an einer dem anderen Fingerglied des Gliederpaars abgewandten Stirnfläche der jeweiligen Magnetspule ein magnetischer Rückschluss, der insbesondere aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sein kann, vorgesehen. Der Magnetanker bestimmt zusammen mit dem Rückschluss einen größenvariablen Luftspalt. Durch eine Bestromung der Magnetspule und den dadurch in der Magnetspule hervorgerufenen magnetischen Fluss wird eine Anziehungskraft zwischen dem Magnetanker und dem Rückschluss hervorgerufen, mit der eine Reduzierung eines Abstands zwischen dem Magnetanker und dem Rückschluss herbeigeführt werden kann. Sofern also wenigstens eine der beiden Magnetspulen der elektrischen Antriebseinrichtung mit einem geeigneten Spulenstrom versorgt wird, kann eine Annäherung der beiden Fingerglieder des Gliederpaars hervorgerufen werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Schwenkbewegung der beiden Fingerglieder relativ zueinander zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung bewirkt werden kann, wenn beide Magnetspulen der elektrischen Antriebseinrichtung mit einem geeigneten Spulenstrom versorgt werden. Da sich im Zuge der Schwenkbewegung der beiden Fingerglieder relativ zueinander eine Ausrichtung der beiden Spulenmittelachsen und damit auch der beiden Bewegungsachsen der Magnetanker verändert, sind die beiden Magnetanker durch ein Schwenkgelenk schwenkbeweglich miteinander verbunden, um trotz der Schwenkbewegung die gewünschte Kraftübertragung zwischen den beiden Fingergliedern des Gliederpaars zu gewährleisten.
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Vorteilhaft ist es, wenn die erste Antriebskomponente als Magnetspule ausgebildet ist und dem einen Fingerglied des jeweiligen Gliederpaars zugeordnet ist und wenn die zweite Antriebskomponente als Magnetanker ausgebildet ist und am anderen Fingerglied des jeweiligen Gliederpaars festgelegt ist, wobei der Magnetanker linearbeweglich längs einer Bewegungsachse in einer Spulenausnehmung der Magnetspule aufgenommen ist und ein erstes Schwenkgelenk mit einer ersten Schwenkgelenkachse und ein zweites Schwenkgelenk mit einer zweiten Schwenkgelenkachse aufweist, wobei die erste Schwenkgelenkachse und die zweite Schwenkgelenkachse parallel zueinander und quer zur Bewegungsachse ausgerichtet sind. Hierbei ist der Magnetanker aus einem magnetflussleitenden, insbesondere einem ferromagnetischen, Material hergestellt und ist zumindest abschnittsweise in einer Spulenausnehmung der Magnetspule aufgenommen und dort längs einer Bewegungsachse, die parallel zur Spulenmittelachse ausgerichtet ist, linearbeweglich gelagert. Vorzugsweise ist an einer dem anderen Fingerglied des Gliederpaars abgewandten Stirnfläche der Magnetspule ein magnetischer Rückschluss, der insbesondere aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sein kann, vorgesehen. Der Magnetanker bestimmt zusammen mit dem Rückschluss einen größenvariablen Luftspalt. Durch eine Bestromung der Magnetspule und den dadurch in der Magnetspule hervorgerufenen magnetischen Fluss wird eine Anziehungskraft zwischen dem Magnetanker und dem Rückschluss hervorgerufen, mit der eine Reduzierung eines Abstands zwischen dem Magnetanker und dem Rückschluss herbeigeführt werden kann. Da die Magnetspule am einen Fingerglied festgelegt ist und der Magnetanker am anderen Fingerglied angebracht ist, kann eine Annäherung der beiden Fingerglieder des Gliederpaars hervorgerufen werden. Da sich im Zuge der Schwenkbewegung der beiden Fingerglieder relativ zueinander eine Ausrichtung der Spulenmittelachse und der Bewegungsachse des Magnetankers verändert, weist der Magnetanker zwei beabstandet voneinander angeordnete Schwenkgelenke auf, um trotz der Schwenkbewegung der beiden Fingerglieder einen statisch überbestimmten Zustand zu vermeiden und die gewünschte Kraftübertragung zwischen den beiden Fingergliedern des Gliederpaars zu gewährleisten. Hierbei sind die beiden Schwenkgelenkachsen parallel zueinander und quer zur Bewegungsachse ausgerichtet.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Antriebskomponente als erste Magnetspule mit einer ersten Spulenmittelachse ausgebildet ist und dem einen Fingerglied des jeweiligen Gliederpaars zugeordnet ist und dass die zweite Antriebskomponente als zweite Magnetspule mit einer zweiten Spulenmittelachse ausgebildet ist und dem andere Fingerglied des jeweiligen Gliederpaars zugeordnet ist, wobei die erste Spulenmittelachse und die zweite Spulenmittelachse in der Schließstellung parallel, insbesondere koaxial, zueinander ausgerichtet sind. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit einer Magnetspule und einem Ringmagneten lediglich dadurch, dass das konstante Magnetfeld des Ringmagneten durch ein variables Magnetfeld der zweiten Magnetspule ersetzt wird, womit eine präzisere Einstellung der zwischen den beiden Fingergliedern wirkenden Magnetkräfte ermöglicht wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jedem der Gliederpaare eine Feder zugeordnet ist, die eine Vorzugsstellung, insbesondere aus der Gruppe: Öffnungsstellung, Schließstellung, für die beiden Fingerglieder des jeweiligen Gliederpaars bestimmt. Wahlweise kann die Feder als auf Biegung belastete Blattfeder oder auf Zug oder Druck belastete Axialfeder, insbesondere als Wendelfeder, ausgebildet sein.
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Zweckmäßig ist es, wenn jedem der Gliederpaare eine Schwenkwinkelbegrenzung zugeordnet ist, die wahlweise in der elektrischen Antriebseinrichtung integriert ist oder zwischen den beiden Fingergliedern des jeweiligen Gliederpaars ausgebildet ist und/oder dass wenigstens einer elektrischen Antriebseinrichtung ein Schwenkwinkelsensor zugeordnet ist, der für eine Bereitstellung eines vom Schwenkwinkel des Gliederpaars abhängigen Sensorsignals ausgebildet ist. Mit der Schwenkwinkelbegrenzung wird insbesondere eine Festlegung für die Öffnungsstellung des jeweiligen Gliederpaars erreicht, um ein unerwünschtes Überstrecken des Roboterfingers zu vermeiden. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung der elektrischen Antriebseinrichtung kann die Schwenkwinkelbegrenzung beispielsweise durch einen Hinterschnitt in der Magnetspule und einem Vorsprung am zugeordneten Magnetanker verwirklicht werden. Die Schwenkwinkelbegrenzung kann auch durch eine geeignete Gestaltung der Gelenkverbindung zwischen den beiden Fingergliedern des Gliederpaars erzielt werden.
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Ergänzend oder alternativ kann dem Gliederpaar ein Schwenkwinkelsensor zugeordnet sein, der wahlweise separat zur elektrischen Antriebseinrichtung ausgebildet ist oder der in die elektrische Antriebseinrichtung integriert ist. Die Verwendung eines vom Schwenkwinkelsensor bereitgestellten Sensorsignals erfolgt beispielsweise in einer Steuereinrichtung für die mit dem Roboterfinger ausgerüstete Roboterhand oder in einer Robotersteuerung für einen Industrieroboter, der mit einer Roboterhand, die mit einem oder mehreren Roboterfingern ausgerüstet ist, versehen ist. Hierbei kann das Sensorsignal des Schwenkwinkelsensor des für eine Steuerung oder Regelung einer Krümmung des jeweiligen Gliederpaars eingesetzt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die aneinander angrenzenden Fingerglieder des jeweiligen Gliederpaars ein Zapfengelenk ausbilden, wobei eine Gelenkachse des Zapfengelenks eine Flächennormale für eine Bewegungsebene der Fingerglieder bildet. Hierzu kann beispielhaft vorgesehen sein, dass an jedem der aneinander angrenzenden Fingerglieder des Gliederpaars wenigstens eine Öse angeordnet ist, wobei die Ösen der aneinandergrenzenden Fingerglieder koaxial zueinander angeordnet werden und ein Gelenkzapfen in die Ösen eingesteckt wird, um die Gelenkverbindung zu erstellen.
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Bei einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein elastisch deformierbares Verbindungselement zwischen den aneinander angrenzenden Fingergliedern des jeweiligen Gliederpaars angeordnet ist, wobei eine vom Verbindungselement bestimmte Gelenkachse eine Flächennormale für eine Bewegungsebene der Fingerglieder bildet. Das Verbindungselement wird derart ausgelegt, dass es mit der von der elektrischen Antriebseinrichtung bereitgestellten Antriebskraft deformiert werden kann und zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung eine ausschließlich elastische Deformation des Verbindungselements vorliegt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das elastisch deformierbare Verbindungselement in einer Doppelfunktion auch die Rückstellfeder verwirklicht, mit der vorzugsweise die Gliederpaare des Roboterfingers in der Öffnungsstellung gehalten werden, solange keine Energiezufuhr an die elektrischen Antriebseinrichtungen stattfindet.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Roboterfingers in einer Öffnungsstellung,
- 2 eine ebene Schnittdarstellung des Roboterfingers gemäß der 1,
- 3 eine ebene Schnittdarstellung des Roboterfingers gemäß den 1 und 2 in einer gekrümmten Stellung,
- 4 eine ebene Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Roboterfingers in einer Öffnungsstellung,
- 5 eine ebene Schnittdarstellung des Roboterfingers gemäß der 4 in einer gekrümmten Stellung,
- 6 eine ebene Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines Roboterfingers in einer Öffnungsstellung, und
- 7 eine ebene Schnittdarstellung des Roboterfingers gemäß der 6 in einer gekrümmten Stellung.
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Die in den 1 bis 7 gezeigten Ausführungsformen von Roboterfingern 1, 41, 81 sind zur Aufnahme an einer nicht dargestellten Roboterhand vorgesehen, die ihrerseits als Endeffektor an einem ebenfalls nicht dargestellten Industrieroboter eingesetzt werden kann. Die unterschiedlichen Ausführungsformen der Roboterfinger 1, 41 und 81 können gemeinsam an einer Roboterhand angeordnet sein. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine mit mehreren Roboterfingern ausgestattete Roboterhand nur eine einzige Ausführungsform von Roboterfingern aufweist.
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Der in den 1 bis 3 gezeigte Roboterfinger 1 umfasst einen aus gummielastischem Material einstückig hergestellten, beispielhaft im Wesentlichen kreiszylindrisch geformten Fingerkörper 2, der rein exemplarisch durch eine nachstehend näher beschriebene Untergliederung in vier Fingerglieder 3, 4, 5, 6, unterteilt ist.
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Beispielhaft ist ein erstes Fingerglied 3 an einem ersten Endbereich mit einer mechanischen Schnittstelle 7 versehen, die für eine Kopplung mit einer nicht dargestellten Roboterhand ausgebildet ist. Hierzu ist am ersten Endbereich des ersten Fingerglieds 3 ein kreiszylindrischer Koppelabschnitt 8 ausgebildet, der mit einer umlaufenden Radialnut 9 versehen ist, die für einen Eingriff nicht dargestellter Befestigungsmittel der Roboterhand ausgebildet ist.
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Einem zweiten Endbereich des ersten Fingerglieds 3 ist ein erster Endbereich eines zweiten Fingerglieds 4 zugeordnet, das über ein elastisch deformierbares Festkörpergelenk 10 mit dem zweiten Endbereich des ersten Fingerglieds 3 verbunden ist. Ein zweiter Endbereich des zweiten Fingerglieds 4 ist über ein elastisch deformierbares Festkörpergelenk 10 mit einem ersten Endbereich eines dritten Fingerglieds 5 verbunden. Ein zweiter Endbereich des dritten Fingerglieds 5 ist über ein elastisch deformierbares Festkörpergelenk 10 mit einem ersten Endbereich eines vierten Fingerglieds 6 verbunden.
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Die jeweils paarweise über die zugeordneten Festkörpergelenke 10 miteinander verbundenen Fingerglieder 3 bis 6 bilden somit insgesamt rein exemplarisch drei Gliederpaare 11, 12, 13, die jeweils separat voneinander bewegt werden können. Hierzu ist jedem der Gliederpaare 11, 12 und 13 eine elektrische Antriebseinrichtung 15 zugeordnet, mit der ausgehend von der Darstellung der 1 und 2, in der eine Öffnungsstellung des Roboterfingers 1 gezeigt ist, eine in der 3 dargestellte Schließstellung für den Roboterfinger 1 bewirkt werden kann.
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Der Fingerkörper 2 kann beispielsweise in einem generativen Herstellungsverfahren wie Lasersintern oder in einem Gießverfahren aus einem gummielastischen Material hergestellt werden und weist entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 1 3 insgesamt sechs Aufnahmeschächte 16 auf, die jeweils an einer Rückseite 14 des Fingerkörpers 2 ausmünden. Jeder der Aufnahmeschächte 16 weist gemäß der Schnittdarstellung der 2 einen rechteckigen Querschnitt auf und dient entweder zur Aufnahme einer ersten Antriebskomponente 17 oder zur Aufnahme einer zweiten Antriebskomponente 18 der elektrischen Antriebseinrichtung 15.
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Jeweils benachbarte Aufnahmeschächte 16, die unterschiedlichen Fingergliedern 3 bis 6 und damit den Gliederpaaren 11, 12, 13 zugehörig sind, sind gemäß der Darstellung der 2 jeweils in einem spitzem Winkel 19 zueinander ausgerichtet.
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Zwischen benachbarten Aufnahmeschächte 16 der jeweiligen Gliederpaare 11, 12, 13 sind Wandabschnitte 20 ausgebildet, die rein exemplarisch in der Art von Planparallelplatten gestaltet sind und die an einem Randbereich 21 miteinander verbunden sind, um das jeweilige Festkörpergelenk 10 zu bilden.
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Wie der Darstellung der 2 entnommen werden kann, begrenzten die Wandabschnitte 20 somit einen keilförmig ausgebildeten Bewegungsspalt 22, wobei einander zugewandte Endflächen 23 der Wandabschnitte 20 einen Keilwinkel 24 beranden, der dem spitzen Winkel 19 entspricht. Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass der Bewegungsspalt 23 mit einer flexiblen Membran 25 verschlossen ist, die zum einen eine Verschmutzung des Bewegungsspalts 22 verhindert und zum anderen auch ein Einklemmen von Oberflächenbereichen eines mit dem Roboterfinger 1 zu ergreifenden Gegenstands verhindern soll.
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Beispielhaft sind die Gliederpaare 11, 12, 13 des Roboterfingers 1 jeweils mit einer elektrischen Antriebseinrichtung 15 versehen, bei der die erste Antriebskomponente 17 als Magnetspule 26 und die zweite Antriebskomponente 18 als Ringmagnet 27 ausgebildet ist. Wie der Schnittdarstellung der 2 und 3 entnommen werden kann, umfasst die Magnetspule 26 einen aus einem ferritischen Material wie beispielsweise Stahl hergestellten Spulenkörper 28, der rotationssymmetrisch zu einer Spulenmittelachse 30 ausgebildet ist und auf den eine nur schematisch dargestellte, aus einer Vielzahl von Windungen eines elektrisch leitenden Drahtmaterials hergestellte Spulenwicklung aufgewickelt ist. Dementsprechend weist die Magnetspule 26 in einer quer zur Spulenmittelachse 30 ausgerichteten Querschnittsebene einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Der Ringmagnet 27 ist rein exemplarisch rotationssymmetrisch zu einer Magnetpolachse 31 ausgebildet und weist in einer quer zur Magnetpolachse 31 ausgerichteten Querschnittsebene einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Beispielhaft kann der Ringmagnet 27 aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung hergestellt sein.
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Rein exemplarisch ist der Rückseite 14 des Fingerkörpers 2 eine als Blattfeder 32 ausgebildete Rückstellfeder zugeordnet, die mit allen Fingergliedern 3 bis 6 verbunden ist. Die Blattfeder 32 weist in der Öffnungsstellung gemäß der 2 minimale innere Spannungen auf und wird im Zuge der Schließbewegung für den Roboterfinger 1 gekrümmt, wodurch ein innerer Spannungsaufbau stattfindet, der mit einer Rückstellkraft auf die Fingerglieder 3 bis 6 einhergeht.
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Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass der Ringmagnet 27 in axialer Richtung magnetisiert ist, so dass eine Ausrichtung eines maximalen magnetischen Flusses, der vom Ringmagneten 27 bereitgestellt wird, durch die Magnetpolachse 31 repräsentiert wird.
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Die Magnetspule 26 der jeweiligen elektrischen Antriebseinrichtung 15 kann über eine nicht dargestellte Versorgungsleitung mit elektrischem Strom versorgt werden. Bei ausreichender Stromstärke stellt die Magnetspule 26 einen vorwiegend längs der Spulenachse 30 ausgerichteten magnetischen Fluss bereit, der in Wechselwirkung mit dem magnetischen Fluss des Ringmagneten 27 tritt und zu Reaktionskräften auf die Magnetspule 26 und den Ringmagneten 27 führt. Um eine Überführung des Roboterfingers 1 aus der Öffnungsstellung gemäß den 1 und 2 in die Schließstellung gemäß der 3 zu bewirken, ist eine Bereitstellung von Spulenstrom an sämtliche Magnetspule 26 der Gliederpaare 11, 12, 13 vorzusehen, wobei eine elektrische Polung des Spulenstroms derart vorzusehen ist, dass es zu Anziehungskräften zwischen den jeweiligen Magnetspulen 26 und den zugeordneten Ringmagneten 27 kommt.
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Wie der Darstellung der 3 entnommen werden kann, verringert sich bei der Bestromung der Magnetspule 26 der Gliederpaare 11, 12, 13 der Keilwinkel 24 zwischen den sich gegenüberliegenden Endflächen 23 und die Blattfeder 32 wird elastisch deformiert und dabei gekrümmt. Ausgehend von der Konfiguration, wie sie für den Roboterfinger 1 in der 3 dargestellt ist, kann durch eine weitere Erhöhung der Spulenströme für die Magnetspulen 26 eine parallele Ausrichtung der gegenüberliegenden Endflächen 23 der Gliederpaare 11, 12, 13 und damit eine maximale Krümmung des Roboterfingers 1 erzielt werden.
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Bei einer Reduzierung der Spulenströme für die Magnetspulen 26 und die damit einhergehende Reduzierung der magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Magnetspulen 26 und den zugeordneten Ringmagneten 27 tritt aufgrund der Rückstellkräfte der Blattfeder 32 und zumindest einen gewissen Anteil auch aufgrund der elastischen Deformation der Festkörpergelenke 10 die Rückverformung des Roboterfingers 1 in die Konfiguration gemäß den 1 und 2 statt.
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Bei der Ausführungsform des Roboterfingers 41 gemäß den 4 und 5 ist der Fingerkörper 42 abweichend von der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 nicht einstückig ausgebildet. Vielmehr umfasst der Fingerkörper 42 mehrere jeweils aus gestaltfestem Material hergestellte Fingerglieder 43, 44, 45 und 46, die jeweils paarweise schwenkbeweglich miteinander zu Gliederpaaren 51, 52, 53 verbunden sind.
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Dabei sind dem aus den Fingergliedern 43 und 44 gebildeten Gliederpaar 51, dem aus den Fingergliedern 44 und 45 gebildeten Gliederpaar 52 sowie dem aus den Fingergliedern 45 und 46 gebildeten Gliederpaar 53 jeweils elektrische Antriebseinrichtungen 55 zugeordnet.
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Die elektrische Antriebseinrichtung 55 umfasst eine erste Antriebskomponente 57, die als Kombination einer Magnetspule 66 und eines linearbeweglich in einer Spulenausnehmung 71 der Magnetspule 66 aufgenommenen Magnetankers 67 ausgebildet ist, sowie eine zweite Antriebskomponente 58, die ebenfalls als Kombination von Magnetspule 66 und linearbeweglich in der Spulenausnehmung 71 aufgenommenen Magnetankers 67 ausgebildet ist. Die Magnetspule 66 umfasst einen, vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellten, Spulenkörper 68, auf den die Spulenwicklung 69 gewickelt ist. Die Magnetspule 66 ist in einem napfförmig ausgebildeten Grundkörper 72 aufgenommen, der von einem kreisringförmig ausgebildeten Deckel 73 verschlossen wird, wobei eine Ausnehmung 74 im Deckel 73 an den Querschnitt des Magnetankers 67 angepasst ist, um die linearbewegliche Aufnahme des Magnetankers 67 in der Magnetspule 66 zu ermöglichen.
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Für eine reibungsarme Lagerung des Magnetankers 67 weist der Spulenkörper 68 einen koaxial zur Spulenmittelachse 70 ausgerichteten, hülsenförmig ausgebildeten Führungsabschnitt 75 auf. In den Führungsabschnitt 75 ist eine parallel zur Spulenmittelachse 70 ausgerichtete Führungsnut 76 eingebracht, die sich nur bereichsweise längs der Spulenmittelachse 70 erstreckt und dadurch einen Hinterschnitt 77 bildet. In der Führungsnut 76 ist eine radial vom Magnetanker 67 abragende Führungsnase 78 aufgenommen, die zusammen mit der Führungsnut 76 eine Verdrehsicherung für den Magnetanker 67 gegenüber dem Spulenkörper 68 bildet. Ferner wird durch den Hinterschnitt 77 eine Begrenzung der Linearbewegung für den Magnetanker 67 gegenüber der Magnetspule 66 erzielt, wodurch eine Schwenkwinkelbegrenzung für die Fingerglieder 43 bis 46 der jeweiligen Gliederpaare 51 bis 53 erzielt wird.
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Ferner ist vorgesehen, dass beiden Magnetanker 67 der ersten Antriebskomponente 57 und der zweiten Antriebskomponente 58 durch eine rein exemplarisch als Zapfengelenk ausgebildete Gelenkverbindung 79 schwenkbeweglich miteinander verbunden sind, um einen Winkelausgleich zwischen den beiden Magnetankern 67 bei der Schwenkbewegung der jeweiligen Fingerglieder 43 bis 46 zu ermöglichen.
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Die jeweiligen Fingerglieder 43 bis 46 der Gliederpaare 51, 52, 53 sind jeweils über Zapfengelenke 54 schwenkbeweglich miteinander verbunden, wobei Gelenkzapfen 59 der Zapfengelenke 54 senkrecht zur Darstellungsebene der 4 und der 5 ausgerichtet sind und damit jeweils Flächennormalen für die auch als Bewegungsebene für die Gliederpaare 51, 52, 53 anzusehende Darstellungsebene der 4 und der 5 bilden.
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Die Funktionsweise für die elektrische Antriebseinrichtung 55 beruht darauf, dass der Grundkörper 72 und der Deckel 73 bei einer Bestromung der Magnetspule 66 von einem magnetischen Fluss durchströmt werden, der im Bereich der Ausnehmung 74 in den Magnetanker 67 eintritt. Da der Magnetanker 67 gemäß der Darstellung der 4 einen Luftspalt 80 mit dem Grundkörper 72 ausbildet, treten in Abhängigkeit von der Stromstärke in der Magnetspule 66 und dem Abstand zwischen den Magnetanker 67 und dem Grundkörper 72 magnetische Anziehungskräfte auf, die zu einer Verkleinerung des Luftspalts 80 führen. Dementsprechend kommt es bei einer Bestromung der Magnetspulen 66 zu einer Verlagerung der jeweiligen Magnetanker 67 aus der Ruhestellung gemäß der 4 in Richtung einer Funktionsstellung, wie sie in der 5 dargestellt ist. Hierdurch findet die gewünschte Krümmungsbewegung für den Roboterfinger 41 statt.
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Bei der in den 6 und 7 gezeigten dritten Ausführungsform eines Roboterfingers 81 sind die Fingerglieder 83, 84, 85, 86 des Fingerkörpers 82 jeweils paarweise durch Zapfengelenke 94 schwenkbeweglich miteinander verbunden, wobei Gelenkzapfen 99 der Zapfengelenke 94 senkrecht zur Darstellungsebene der 6 und 7 ausgerichtet sind, die auch die Bewegungsebene für die Fingerglieder 83 bis 86 bildet. Den Gliederpaaren 91, 92, 93, die durch die Fingerglieder 83 bis 86 gebildet werden, ist jeweils eine elektrische Antriebseinrichtung 95 zugeordnet, bei der die erste Antriebskomponente 97 und die zweite Antriebskomponente 98 jeweils einem der Fingerglieder 84 bis 86 der Gliederpaare 91, 92, 93 zugeordnet ist. Das jeweils andere Fingerglied 83 bis 85 der Gliederpaare 91, 92, 93 ist über ein Koppelglied 100 gelenkig mit der elektrischen Antriebseinrichtung 95 verbunden.
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Die elektrische Antriebseinrichtung 95 umfasst als erste Antriebskomponente 97 eine Magnetspule 106 sowie als zweite Antriebskomponente 98 einen linearbeweglich in einer Spulenausnehmung 111 der Magnetspule 106 aufgenommenen Magnetanker 107. Die Magnetspule 106 umfasst einen, vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellten, Spulenkörper 108, auf den die Spulenwicklung 109 gewickelt ist. Die Magnetspule 106 ist in einem napfförmig ausgebildeten Grundkörper 112 aufgenommen, der von einem kreisringförmig ausgebildeten Deckel 113 verschlossen wird, wobei eine Ausnehmung 114 im Deckel 113 an den Querschnitt des Magnetankers 107 angepasst ist, um die linearbewegliche Aufnahme des Magnetankers 107 in der Magnetspule 106 zu ermöglichen.
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Für eine reibungsarme Lagerung des Magnetankers 107 weist der Spulenkörper 108 einen koaxial zur Spulenmittelachse 110 ausgerichteten, hülsenförmig ausgebildeten Führungsabschnitt 115 auf. In den Führungsabschnitt 115 ist eine parallel zur Spulenmittelachse 110 ausgerichtete Führungsnut 116 eingebracht, die sich nur bereichsweise längs der Spulenmittelachse 110 erstreckt und dadurch einen Hinterschnitt 117 bildet. In der Führungsnut 116 ist eine radial vom Magnetanker 107 abragende Führungsnase 118 aufgenommen, die zusammen mit der Führungsnut 116 eine Verdrehsicherung für den Magnetanker 107 gegenüber dem Spulenkörper 108 bildet. Ferner wird durch den Hinterschnitt 117 eine Begrenzung der Linearbewegung für den Magnetanker 107 gegenüber der Magnetspule 106 erzielt, wodurch eine Schwenkwinkelbegrenzung für die Fingerglieder 83 bis 86 der jeweiligen Gliederpaare 91 bis 93 erzielt wird.
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Um eine Übertragung der linearen Relativbewegung zwischen Magnetanker 107 und Magnetspule 106 auf das jeweils andere Fingerglied 83 bis 85 zu ermöglichen ist das Koppelglied 100 sowohl mit dem Magnetanker 107 als auch mit dem jeweils anderen Fingerglied 83, 84, 85 schwenkbeweglich verbunden. Rein exemplarisch sind für diese gelenkige Verbindung durch das Koppelglied 100 jeweils Zapfengelenke 121, 122 vorgesehen, mit denen die gewünschte Schwenkbewegung der jeweiligen Gliederpaare 91, 92, 93 trotz der jeweils für den Magnetanker 107 in der Spulenausnehmung 111 vorgesehenen Geradführung durchgeführt werden kann.
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Die Funktionsweise für die elektrische Antriebseinrichtung 95 beruht darauf, dass der Grundkörper 112 und der Deckel 113 bei einer Bestromung der Magnetspule 106 von einem magnetischen Fluss durchströmt werden, der im Bereich der Ausnehmung 114 in den Magnetanker 107 eintritt. Da der Magnetanker 107 gemäß der Darstellung der 6 einen Luftspalt 120 mit dem Grundkörper 112 ausbildet, treten in Abhängigkeit von der Stromstärke in der Magnetspule 106 und dem Abstand zwischen den Magnetanker 107 und dem Grundkörper 112 magnetische Anziehungskräfte auf, die zu einer Verkleinerung des Luftspalts 120 führen. Dementsprechend kommt es bei einer Bestromung der Magnetspulen 106 zu einer Verlagerung der jeweiligen Magnetanker 107 aus der Ruhestellung gemäß der 6 in Richtung einer Funktionsstellung, wie sie in der 7 dargestellt ist. Hierdurch findet die gewünschte Krümmungsbewegung für den Roboterfinger 81 statt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020215228 B3 [0002]
- DE 112015000593 T5 [0003]
