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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung zum Verbinden eines Glieds eines Roboterarms mit einem Gelenkkörper des Roboterarms. Die Erfindung betrifft außerdem einen zugehörigen Roboterarm.
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Die
WO 2017/207337 A1 beschreibt ein Gelenk für einen gelenkigen Manipulator, mit einem rohrförmigen Körper, der sich entlang einer Längsachse desselben erstreckt und ein erstes Gelenkende und ein zweites Gelenkende aufweist, wobei das erste Gelenkende und das zweite Gelenkende eine erste Gelenkebene bzw. eine zweite Gelenkebene definieren. Die erste Gelenkebene und das zweite Gelenk befinden sich jeweils in einem Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse, wobei die erste Gelenkebene parallel zu einer ersten Achse angeordnet ist und wobei die zweite Gelenkebene parallel zu einer zweiten Achse angeordnet ist, die Längsachse senkrecht zu der ersten Achse und der zweiten Achse ist, und wobei die erste Achse und die zweite Achse unter einem gegenseitigen Verdrehungswinkel von mindestens einem Mal dem Neigungswinkel stehen.
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Die
EP 0 627 975 B1 beschreibt eine Vorrichtung zum Manipulieren von Gegenständen mit einem Greifer, welcher über zumindest einen Arm mit einem Getriebe und Antriebsmotor verbunden ist, wobei zur Übertragung der Drehbewegung auf eine nachfolgende Welle in dem Arm zumindest eine Hohlwelle mit Zinnen in Aufnahmen in einem mit der Hohlwelle fluchtendem Kupplungsstück und das Kupplungsstück mit Einsätzen in Tälern zwischen den Zinnen eingreift, wobei dem Kupplungsstück anderenends eine Schrägverzahnung aufgesetzt ist. Jede Zinne weist ein Schaftteil auf, wobei die zu den Tälern hinweisenden Seitenflächen von sich gegenüberliegenden Zinnen in jeweils einer gemeinsamen achsparallelen Ebene angeordnet sind, und jeder Einsatz zur Aufnahme hin Stützflächen aufweist, wobei die Stützflächen von sich gegenüberliegenden Einsätzen ebenfalls in einer achsparallelen Ebene liegen.
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US 2019 / 0 070 726 A1 beschreibt einen schlangenartigen Roboter umfassend ein erstes Glied mit einem ersten distalen Ende, einem ersten proximalen Ende und einer ersten Längsachse, die sich zwischen dem ersten distalen Ende und dem ersten proximalen Ende erstreckt. Ein zweites Glied besitzt ein zweites proximales Ende und ein zweites distales Ende, das betriebsmäßig mit dem ersten proximalen Ende gekoppelt ist, und umfasst eine zweite Längsachse, die sich zwischen dem zweiten proximalen Ende und dem zweiten distalen Ende erstreckt.
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DE 37 90 743 T5 beschreibt einen Roboterarm für einen Industrieroboter, mit mehreren zylinderförmigen Armteilen, nämlich einen Oberarm, wenigstens einen Zwischenarm und einen Unterarm, die hintereinander flexibel durch mehrere Gelenke verbunden sind, wobei jeder Arm an seinen gegenüberliegenden Enden zwei Gelenkflächen hat, wobei die Gelenkflächen in einem Winkel zur längsverlaufenden Achse des Armteils liegen, derart, dass eine Gelenkachse des Gelenks in einem rechten Winkel zu jeder Gelenkfläche verläuft, wobei jeder Armteil unabhängig von einem oder mehreren sich in der Nähe befindenden Armteilen um die Gelenkachse drehbar ist, wobei die an beiden Enden des Zwischenarms liegenden Gelenkflächen so ausgebildet sind, dass ihre Verlängerungen sich jeweils an einer Stelle schneiden, die außerhalb der Umfangslinie des Zwischenarms liegt.
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Die
DE 10 2015 012 960 A1 beschreibt ein Robotersystem mit zumindest einem Roboterarm 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
US 2010 / 0 307 279 A1 beschreibt eine Baugruppe zur lösbaren Verbindung eines Endeffektors in Form eines Roboterwerkzeugs oder -bauteils mit einem Roboterarm. Die Verbindung wird manuell betätigt und besteht aus einem ersten und einem zweiten Gelenkelement mit einem zylindrischen Körper, einem Verriegelungsring und einer Verriegelungswand, die sich von dem zylindrischen Körper aus erstreckt. Der Verriegelungsring ist koaxial mit dem ersten Gelenkteil ausgerichtet und drehbar mit diesem verbunden. Das zweite Gelenkelement hat einen zylindrischen Gegenkörper und ein Verbindungsstück und greift in das erste Gelenkelement ein. Diese Kupplung umfasst auch Keilstifte, wobei die Stifte in verkeilter Beziehung mit der Verriegelungswand in Eingriff gebracht werden können. Die Kupplung und der Verriegelungsring umfassen ferner dazwischenliegende, in Umfangsrichtung beabstandete Zähne, wobei der Ring drehbar ist, um das erste Gelenkelement lösbar mit dem zweiten Gelenkelement in Eingriff zu bringen.
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Die
EP 0 299 551 A1 beschreibt einen Industrieroboter mit einer Säule, in der eine erste Gruppe koaxialer Hohlwellen untergebracht ist, die drehbar mit einem ersten Gelenk verbunden ist, das in einem Winkel von etwa 60 Grad zur ersten Gruppe der Hohlwellen angeordnet ist. Eine zweite Gruppe von koaxialen Hohlwellen nimmt die Drehbewegung von dem ersten Gelenk auf und überträgt sie auf ein zweites Gelenk, das ebenfalls schräg im Winkel von 60 Grad angeordnet ist. Eine dritte Gruppe von koaxialen Hohlwellen nimmt die Drehbewegung vom zweiten Gelenk auf und überträgt sie auf ein drittes Gelenk, das seinerseits mit einer Endbuchse verbunden ist, die Arbeitsgeräte oder Arbeitswerkzeuge trägt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine stabile, zuverlässige und belastbare Verbindungsvorrichtung zum Verbinden eines Glieds eines Roboterarms mit einem Gelenkkörper des Roboterarms zu schaffen. Eine weitere Aufgabe ist es, einen Roboterarm zu schaffen, der wenigstens eine solche stabile, zuverlässige und belastbare Verbindungsvorrichtung aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Verbindungsvorrichtung zum Verbinden eines Glieds eines Roboterarms mit einem Gelenkkörper des Roboterarms, aufweisend:
- - ein Glied mit einer kreiszylindrischen Außenmantelwand,
- - einen Gelenkskörper mit einem Gelenkträgerkranz, der mehrere über einen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Eingriffselemente aufweist, und
- - einen mit der Außenmantelwand des Glieds verbundenen Anschlussring, der mehrere über einen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Aufnahmen aufweist, die jeweils ausgebildet sind zum formschlüssigen Aufnehmen jeweils eines der Eingriffselemente des Gelenkträgerkranzes, um in einem verbundenen Zustand des Anschlussringes mit dem Gelenkträgerkranz, das Glied mit dem Gelenkskörper zu verbinden, indem die Eingriffselemente des Gelenkträgerkranzes formschlüssig in die Aufnahmen des Anschlussringes eingreifen, wobei jede Aufnahme eine bogenförmig radial nach außen gewölbte Aufnahme-Umfangsaußenwand aufweist und jedes Eingriffselement eine ebene Eingriffselement-Umfangsaußenwand aufweist, so dass im verbundenen Zustand des Anschlussringes mit dem Gelenkträgerkranz zwischen der jeweiligen Innenseite jeder Aufnahme-Umfangsaußenwand und der korrespondierenden Außenseite der jeweiligen Eingriffselement-Umfangsaußenwand ein Spalt gebildet wird.
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Zur kostengünstigen Herstellung von Roboterarmen kann es zweckmäßig sein, die mehreren Gelenke des Roboterarms identisch aufzubauen oder zumindest nur aus wenig verschiedenen Gelenkstypen aufzubauen. Außerdem ist es dabei zweckmäßig, wenn auch die Glieder aus einfachen Stabkörpern aufgebaute sind. Die einfachen Stabkörper können insbesondere aus Profilstäben bestehen, die insbesondere über ihre jeweilige Längen gleichbleibende Querschnitte aufweisen. Der Querschnitt kann insbesondere ein Kreisquerschnitt bzw. ein Kreisrohrquerschnitt sein. Dies hat den Vorteil, dass die Glieder insbesondere deshalb kostengünstig hergestellt werden können, da sie beispielsweise in Form von Halbzeugen leicht beschafft werden können und je nach gewünschter kinematischer Bauart für den Roboterarm in unterschiedlichen Längen konfektioniert werden können.
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Problematisch bei Roboterarmen, die aus Gliedern mit kreiszylindrischen Außenmantelwänden und aus Gelenken in Form von Gelenkkörpern aufgebaut sind, ist die jeweilige Verbindung eines Glieds mit einem unmittelbar anschließenden Gelenkkörper. Sämtliche während einer Bewegung des Roboterarms auftretenden Kräfte und Momente müssen über die jeweilige Verbindung des Glieds mit dem unmittelbar anschließenden Gelenkkörper zuverlässig übertragbar sein, um die ordnungsgemäße Funktion des Roboterarms sicherstellen zu können.
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Mit der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung wird eine sehr stabile, zuverlässige und belastbare Verbindungsvorrichtung zum Verbinden eines Glieds eines Roboterarms mit einem Gelenkkörper des Roboterarms geschaffen.
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Dabei weist das jeweilige Glied eine kreiszylindrische Außenmantelwand auf. Das betreffende Glied kann demgemäß durch ein kreiszylindrisches Rohr bzw. durch einen kreiszylindrischen Rohrabschnitt gebildet werden. Durch Ablängen eines solchen Rohres kann die gewünschte bzw. die benötigte Länge des betreffenden Glieds hergestellt werden. Die jeweilige Länge des Rohres bzw. des Rohrabschnitts bestimmt dann den geometrischen Abstand der zwei durch das betreffende Glied jeweils unmittelbar verbundenen Gelenkskörper und damit den geometrischen Abstand der beiden unmittelbar verbundenen Drehachsen des Roboterarms zueinander.
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Der Gelenkskörper kann ein erstes Gehäuseteil aufweisen, das bezüglich eines zweiten Gehäuseteils des Gelenkskörpers beispielsweise drehbar gelagert ist. Das erste Gehäuseteil bildet in Zusammenwirken mit dem zweiten Gehäuseteil das Gelenk. Der Gelenkskörper kann außerdem ein Getriebe und/oder einen Antrieb aufweisen, durch welches das Gelenk automatisch verstellt werden kann. Das erste Gehäuseteil und/oder das zweite Gehäuseteil kann einen Flansch aufweisen, an dem das darauffolgende Glied des Roboterarms angeschlossen ist. Der Flansch kann erfindungsgemäß dazu einen Gelenkträgerkranz aufweisen bzw. bilden. Über den Gelenkträgerkranz kann das anzuschließende Glied an dem Gelenkskörper bzw. an dem betreffenden Gehäuseteil des Gelenkskörpers befestigt werden.
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Der Gelenkträgerkranz des Gelenkskörpers weist mehrere über einen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Eingriffselemente auf. Die Eingriffselemente können sich dabei auf einem gemeinsamen Umfangskreis bezüglich eines Zentrums liegen, bei dem das Zentrum auf einer Symmetrieachse des Gelenkträgerkranzes liegt. Die Eingriffselemente können vorspringend ausgebildet sein und sich dabei parallel zur Symmetrieachse des Gelenkträgerkranzes in einem Abstand von dieser erstrecken, und zwar weg von dem Gelenkskörper, hin zu dem Glied bzw. hin zu dem Anschlussring des anzuschließenden Glieds.
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Der Anschlussring ist mit der Außenmantelwand des Glieds fest verbunden. Eine solche feste Verbindung kann beispielsweise durch Kleben erreicht werden. Dadurch bildet das Glied und der Anschlussring als eine Einheit ein Verbundbauteil.
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Der Anschlussring weist mehrere über einen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Aufnahmen auf. Die Aufnahmen sind jeweils ausgebildet zum formschlüssigen Aufnehmen jeweils eines der Eingriffselemente des Gelenkträgerkranzes. Jede Aufnahme weist insoweit eine Vertiefung auf, in welche ein jeweiliges Eingriffselement des Gelenkträgerkranzes eintaucht und dort bündig geführt und gehalten ist.
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Durch das Ineinandergreifen der Eingriffselemente und der Aufnahmen wird in einem verbundenen Zustand des Anschlussringes mit dem Gelenkträgerkranz, das Glied mit dem Gelenkskörper verbunden. Eine solche Verbindung kann insbesondere eine lösbare Verbindung sein, d.h. der Anschlussringes und der Gelenkträgerkranz können zerstörungsfrei, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Handwerkzeugen, wie Schraubendreher und/oder Hebel, wieder voneinander getrennt werden, so dass das betreffende Glied von dem Gelenkkörper wieder gelöst werden kann. Die verschiedenen Glieder und verschiedenen Gelenkkörper können dann, gegebenenfalls in einer abgewandelten kinematischen Konfiguration, wieder zusammengesetzt werden. So können baukastenartig aus einer Anzahl von identischen oder unterschiedlichen Gliedern und einer Anzahl von identischen oder unterschiedlichen Gelenkkörper verschieden aufgebaute Roboterarme erzeugt werden.
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Jedes Eingriffselement des Gelenkträgerkranzes kann als ein in axialer Steckrichtung vorspringende Klaue ausgebildet sein, die eine in Umfangsrichtung weisende Klauen-Vorderseite und eine entgegen der Umfangsrichtung weisende Klauen-Rückseite aufweist, wobei die Klauen-Vorderseite und die Klauen-Rückseite einerseits in einer radial nach innen weisenden Radialrichtung aufeinander zulaufend schräg angestellt sind und andererseits auch in axialer Steckrichtung aufeinander zulaufend schräg angestellt sind, und jede Aufnahme des Anschlussringes als eine zur jeweiligen Klaue korrespondierende Tasche ausgebildet ist, die eine in Umfangsrichtung weisende Taschen-Vorderseite und eine entgegen der Umfangsrichtung weisende Taschen-Rückseite aufweist, wobei die Taschen-Vorderseite und die Taschen-Rückseite einerseits in einer radial nach innen weisenden Radialrichtung aufeinander zulaufend schräg angestellt sind und andererseits auch in der axialen Steckrichtung voneinander weglaufend schräg angestellt sind.
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Die axiale Steckrichtung bestimmt sich durch die Längserstreckung des kreiszylindrischen Glieds, d.h. durch die Symmetrieachse des zylindrischen Körpers des Glieds, insbesondere eines rohrförmigen Glieds. Die Klauen liegen auf einem Teilkreis, der die Symmetrieachse koaxial umläuft. Die Klauen springen somit von einem Grundkörper des Gelenkkörpers ausgehend in Richtung des Anschlussringes vor. Die Klauen springen insoweit zumindest im Wesentlichen parallel zur Steckrichtung, d.h. parallel zur Symmetrieachse des Glieds vor.
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Die Klauen können im Hinblick auf ihre Außenform in Art eines Trapezprismas gestaltet sein.
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Die jeweilige Klaue kann eine in Umfangsrichtung weisende Klauen-Vorderseite aufweisen, die eine ebene Fläche ist und zumindest im Wesentlichen rechteckig gestaltet ist.
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Im selben Sinne kann die jeweilige Klaue eine entgegen der Umfangsrichtung weisende Klauen-Rückseite aufweisen, die ebenfalls eine ebene Fläche ist und zumindest im Wesentlichen rechteckig gestaltet ist.
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Die Klauen-Vorderseite und die Klauen-Rückseite sind in dieser Ausführungsform in einer radial nach innen weisenden Radialrichtung aufeinander zulaufend schräg angestellt. Dies bedeutet, dass die jeweilige Klaue auf seiner radial inneren Seite in Umfangsrichtung schmäler ist als auf ihrer radial äußeren Seite. Anders ausgedrückt ist die jeweilige Klaue radial innen in Umfangsrichtung weniger breit als radial außen.
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Dies bedeutet außerdem, dass die Klauen-Vorderseite einer Klaue mit der Klauen-Rückseite einer unmittelbar benachbarten Klaue ein Keilflächenpaar bildet, derart, dass die Keilflächen auf der radial äußeren Seite einen größeren Abstand voneinander haben, also weiter voneinander beabstandet sind als auf der radial inneren Seite.
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Die Klauen-Vorderseite und die Klauen-Rückseite sind in dieser Ausführungsform außerdem in axialer Steckrichtung aufeinander zulaufend schräg angestellt. Anders ausgedrückt ist der Fuß der Klaue in Umfangsrichtung breiter als der Kopf der Klaue. Die axiale Steckrichtung bezieht sich hier auf eine Steckbewegung des Gelenkträgerkranzes in Richtung auf den Anschlussring zu.
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Dies bedeutet, dass in einem Fußbereich der benachbarten Klauen die Klauen-Vorderseite der einen Klaue und die Klauen-Rückseite der anderen Klaue einen geringeren Abstand voneinander aufweisen als in einem Kopfbereich der benachbarten Klauen. Der Klauenzwischenraum zweier benachbarter Klauen öffnet sich also ausgehend vom Fuß in Richtung des Kopfes, d.h. in Steckrichtung der Klauen.
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Um jede Aufnahme korrespondierend, d.h. flächig passend zu einer Klaue auszubilden, ist jede Aufnahme des Anschlussringes als eine zur jeweiligen Klaue korrespondierende Tasche ausgebildet.
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Die jeweilige Tasche kann eine in Umfangsrichtung weisende Taschen-Vorderseite aufweisen, die eine ebene Fläche ist und zumindest im Wesentlichen rechteckig gestaltet ist.
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Im selben Sinne kann die jeweilige Tasche eine entgegen der Umfangsrichtung weisende Taschen-Rückseite aufweisen, die ebenfalls eine ebene Fläche ist und zumindest im Wesentlichen rechteckig gestaltet ist.
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Die Taschen-Vorderseite und die Taschen-Rückseite sind in dieser Ausführungsform in einer radial nach innen weisenden Radialrichtung aufeinander zulaufend schräg angestellt. Dies bedeutet, dass die jeweilige Tasche auf ihrer radial inneren Seite in Umfangsrichtung schmäler ist als auf ihrer radial äußeren Seite. Anders ausgedrückt ist die jeweilige Tasche radial innen in Umfangsrichtung weniger breit als radial au-ßen.
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Dies bedeutet außerdem, dass die Taschen-Vorderseite einer Tasche mit der Taschen-Rückseite einer unmittelbar benachbarten Tasche ein Keilflächenpaar bildet, derart, dass die Keilflächen auf der radial äußeren Seite einen größeren Abstand voneinander haben, also weiter voneinander beabstandet sind als auf der radial inneren Seite.
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Die Taschen-Vorderseite und die Taschen-Rückseite sind in dieser Ausführungsform außerdem in axialer Steckrichtung voneinander weglaufend schräg angestellt. Anders ausgedrückt ist der Grund der Tasche in Umfangsrichtung schmäler als im oberen Randbereich der Tasche. Die axiale Steckrichtung bezieht sich hier auf eine Steckbewegung des Anschlussringes in Richtung auf den Gelenkträgerkranz zu.
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Dies bedeutet, dass in einem oberen Randbereich der benachbarten Taschen die Taschen-Vorderseite der einen Tasche und die Taschen-Rückseite der anderen Tasche einen geringeren Abstand voneinander aufweisen als in einem Grundbereich der benachbarten Taschen. Ein Taschenzwischenraum öffnet, d.h. weitet sich also ausgehend vom Grund der Tasche in Richtung des oberen Randbereichs der Tasche, d.h. in Steckrichtung des Anschlussringes in Richtung auf den Gelenkträgerkranz zu.
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Jede in axialer Steckrichtung vorspringende Klaue kann jeweils eine Klauen-Innenseite aufweisen, die ausgebildet ist, dass im verbundenen Zustand des Anschlussringes mit dem Gelenkträgerkranz eine jeweilige Klauen-Innenseite der Klaue passgenau auf der Außenmantelwand des Glieds aufsitzt. Die axiale Steckrichtung bezieht sich auch hier auf eine Steckbewegung des Gelenkträgerkranzes in Richtung auf den Anschlussring zu. Die Klauen-Innenseite liegt demgemäß auf einer radialen Innenseite der Klaue. Die jeweilige Klauen-Innenseite der Klaue soll dabei passgenau direkt auf der Außenmantelwand des Glieds aufsitzen. Dazu kann der Anschlussring entsprechende Taschen aufweisen, die im Grund der Taschen, d.h. auf einer radial inneren Seite der Taschen keine Taschenwände aufweisen, sondern offen ausgebildet sind, so dass in diesem Bereich die Außenmantelwand des Glieds frei liegt, d.h. nicht durch den Anschlussring abgedeckt ist. Auf diesen freiliegenden Abschnitten der Außenmantelwand des Glieds können dann die Klauen-Innenseiten der Klauen des Gelenkträgerkranzes unmittelbar flächig aufliegen. Über die Klauen-Innenseiten der Klauen können somit Kräfte und/oder Momente direkt auf das Glied übertragen werden, ohne dass diese Kräfte und/oder Momente über den Anschlussring geführt werden müssten.
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Die Eingriffselemente des Gelenkträgerkranzes können derart in die Aufnahmen des Anschlussringes eingreifen, dass im verbundenen Zustand des Anschlussringes mit dem Gelenkträgerkranz eine jeweilige in Steckrichtung weisende Stirnwand jeden Eingriffselements unter Belassen eines jeweiligen Spaltes in einem Abstand von zugeordneten Bodenwänden der korrespondierenden Aufnahmen des Anschlussringes positioniert sind.
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Indem im verbundenen Zustand des Anschlussringes mit dem Gelenkträgerkranz eine jeweilige in Steckrichtung weisende Stirnwand jeden Eingriffselements unter Belassen eines jeweiligen Spaltes in einem Abstand von zugeordneten Bodenwänden der korrespondierenden Aufnahmen des Anschlussringes positioniert sind, kann sichergestellt werden, dass die Verbindungen der Eingriffselemente mit den Aufnahmen an den seitlichen Wandabschnitten der Eingriffselemente und der Aufnahmen gewährleistet sind. Mittels der jeweiligen Spalte ist verhindert, dass die kopfseitigen Stirnwände der Eingriffselemente nicht an dem Anschlussring anstehen. Würden die Eingriffselemente mit ihren kopfseitigen Stirnwänden am Anschlussring anstehen, dann wäre nicht sichergestellt, dass die seitlichen Wandabschnitte der Eingriffselemente und die seitlichen Wandabschnitte der Aufnahmen bündig aneinander liegen. Indem die die seitlichen Wandabschnitte der Eingriffselemente und die seitlichen Wandabschnitte der Aufnahmen bündig aneinander liegen, können Drehmomente um die Gliedachse, d.h. um die Symmetrieachse des Gelenkträgerkranzes bzw. des Glieds besonders gut und zuverlässig übertragen werden.
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Die Eingriffselemente des Gelenkträgerkranzes können derart in die Aufnahmen des Anschlussringes eingreifen, dass im verbundenen Zustand des Anschlussringes mit dem Gelenkträgerkranz ein jeweiliger in Steckrichtung weisender Stirnrandsteg, der jeweils zwei benachbarte Aufnahmen verbindet, unter Belassen eines jeweiligen Spaltes in einem Abstand von zugeordneten, jeweils zwei benachbarte Eingriffselemente verbindenden Fußwänden des Gelenkträgerkranzes positioniert sind.
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Indem im verbundenen Zustand des Anschlussringes mit dem Gelenkträgerkranz ein jeweiliger in Steckrichtung weisender Stirnrandsteg, der jeweils zwei benachbarte Aufnahmen verbindet, unter Belassen eines jeweiligen Spaltes in einem Abstand von zugeordneten, jeweils zwei benachbarte Eingriffselemente verbindenden Fußwänden des Gelenkträgerkranzes positioniert sind, kann sichergestellt werden, dass die Verbindungen der Eingriffselemente mit den Aufnahmen an den seitlichen Wandabschnitten der Eingriffselemente und der Aufnahmen gewährleistet sind. Mittels der jeweiligen Spalte ist verhindert, dass die kopfseitigen Stirnwände des Anschlussrings nicht an den Fußwänden der Eingriffselemente anstehen. Würde der Anschlussring mit seinen kopfseitigen Stirnwänden am Gelenkträgerkranz anstehen, dann wäre nicht sichergestellt, dass die seitlichen Wandabschnitte der Eingriffselemente und die seitlichen Wandabschnitte der Aufnahmen bündig aneinander liegen. Indem die die seitlichen Wandabschnitte der Eingriffselemente und die seitlichen Wandabschnitte der Aufnahmen bündig aneinander liegen, können Drehmomente um die Gliedachse, d.h. um die Symmetrieachse des Gelenkträgerkranzes bzw. des Glieds besonders gut und zuverlässig übertragen werden.
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Erfindungsgemäß weist jede Aufnahme eine bogenförmig radial nach außen gewölbte Aufnahme-Umfangsaußenwand auf und jedes Eingriffselement weist eine ebene Eingriffselement-Umfangsaußenwand auf, so dass im verbundenen Zustand des Anschlussringes mit dem Gelenkträgerkranz zwischen der jeweiligen Innenseite jeder Aufnahme-Umfangsaußenwand und der korrespondierenden Außenseite der jeweiligen Eingriffselement-Umfangsaußenwand ein Spalt gebildet wird.
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Die bogenförmig radial nach außen gewölbte Aufnahme-Umfangsaußenwände aller Aufnahmen können auf einer gemeinsamen Kreiszylindermantelfläche des Anschlussringes liegen. Jeder Spalt kann insoweit in Gestalt eines Kreiszylinderabschnitts, geschnitten parallel zur Symmetrieachse des Kreiszylinders, ausgebildet sein. Durch die Spalte wird verhindert, dass radial außen, umfangsseitig zwischen dem Anschlussring und dem Gelenkträgerkranz Kräfte und/oder Momente an diesen Stellen zwischen dem Anschlussring und dem Gelenkträgerkranz übertragen werden. Insbesondere ist durch die Spalte verhindert, dass unerwünschte Scherkräfte und/oder Scherspannungen aus einem Drehmoment zwischen dem Anschlussring und dem Gelenkträgerkranz dort übertragen werden. Es bleibt somit bei einer Übertragung von Kräften und/oder Momenten lediglich an den Taschen-Vorderseiten und den Taschen-Rückseiten des Anschlussrings bezüglich den Klauen-Vorderseiten und den Klauen-Rückseiten des Gelenkträgerkranzes. Dort werden die Kräfte zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Kontaktflächen von Anschlussring und Gelenkträgerkranz übertragen.
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Der Anschlussring kann auf der kreiszylindrischen Außenmantelwand des Glieds aufgeklebt sein. Dazu kann der Anschlussring eine auf das Glied zuweisende Innenmantelwand aufweisen. Der Klebstoff kann zwischen der Innenmantelwand des Anschlussrings und der kreiszylindrischen Außenmantelwand des Glieds aufgetragen werden. Es kann sich um einen selbstaushärtenden Klebstoff handeln. Es kann sich auch um einen Mehrkomponenten-Reaktionsklebstoff handeln.
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Der Anschlussring kann eine Innenmantelwand aufweisen, welche eine Kontaktfläche bildet, mit welcher der Anschlussring auf der kreiszylindrischen Außenmantelwand des Glieds aufgeklebt ist, wobei die Innenmantelwand mit Längsnuten versehen ist, die Verteilkanäle für einen Klebstoff bilden, mittels dem der Anschlussring auf der kreiszylindrischen Außenmantelwand des Glieds aufgeklebt ist.
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Der Anschlussring kann mehrere über einen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete erste Schraubkanäle aufweisen und der Gelenkträgerkranz des Gelenkskörper kann eine korrespondierende Anzahl von mehreren über einen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete zweite Schraubkanäle aufweisen, wobei die ersten Schraubkanäle und die zweiten Schraubkanäle ausgebildet sind zur Aufnahme von Schrauben zum geschraubten Verbinden des Anschlussrings mit dem Gelenkträgerkranz.
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Am Anschlussring kann zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Aufnahmen ein erster Schraubkanal angeordnet sein. Am Gelenkträgerkranz kann zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Eingriffselementen bzw. Klauen ein zweiter Schraubkanal angeordnet sein. Die Anzahl der ersten Schraubkanäle und die Anzahl der zweiten Schraubkanäle kann insoweit der Anzahl von Aufnahmen und Eingriffselementen bzw. Klauen entsprechen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Roboterarm, aufweisend mehrere Glieder, von denen wenigstens ein Glied eine kreiszylindrische Außenmantelwand aufweist, und mehrere die Glieder gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke, von denen wenigstens ein Gelenk einen Gelenkkörper mit einem Gelenkträgerkranz aufweist, wobei das wenigstens eine Glied mit der kreiszylindrische Außenmantelwand mit dem wenigstens einen Gelenkkörper mittels einer Verbindungsvorrichtung nach wenigstens einem der beschriebenen Ausführungsformen verbunden ist.
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Die Erfindung ist im Folgenden, mitunter anders ausgedrückt, nochmals erläutert.
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Mit der Erfindung wird eine stabile, zuverlässige und belastbare Verbindungsstelle geschaffen, die es beispielsweise ermöglichen soll, eine modulare Gelenkeinheit, d.h. einen Gelenkkörper, mit einem Gelenkträgerkranz, beispielsweise einem Kunststoffgelenkträger an ein Strukturteil, d.h. ein Glied des Roboterarms, vorzugsweise bestehend aus einem Rohrprofil oder Halbzeug, mittels eines Anschlussringes, wie beispielsweise einem Kunststoffflansch, lösbar zu verbinden.
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Aus Gründen eines noch flexibleren und individuelleren, insbesondere modularen Aufbaus können ein oder mehrere Kompomenten der Verbindungseinrichtung aus Kunststoffbauteilen hergestellt werden, insbesondere können die Verbindungsstellen auch maßgeschneidert, beispielsweise additiv gefertigt werden.
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Die Vorteile liegen in der möglichst großflächigen und homogenen Verteilung der lokalen und mehrdimensionalen Belastung an der Verbindungsstelle sowie einer möglich direkten und geradlinigen Kraftleitung zwischen den beiden Verbindungsteilen.
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Die Verbindungsvorrichtung verbindet beispielsweise die drei Teile Rohrprofil bzw. Glied, Flanschring bzw. Anschlussring und Gelenkträger bzw. Gelenkkörper mit Gelenkträgerkranz, so miteinander, dass Rohrprofil und Flanschring eine permanente Verbindung besitzen und zusammen das Strukturteil bilden, welches lösbar mit dem Gelenkträger verbunden ist. Dies ermöglicht nicht nur einen schnellen und kostengünstigen, sondern vor allem auch einen sehr flexiblen Aufbau, da die Strukturlänge einfach über die Länge des Rohrs variiert werden kann. Die trennbare Schnittstelle vereinfacht die Montage der Module und dient für Serviceaufgaben und zur späteren Rekonfiguration der Kinematik.
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Die Verbindung zwischen dem Rohr und dem Ring kann durch eine Klebeverbindung erzeugt werden, indem der Ring über seine Innenmantelfläche bis zu Anschlagelementen auf das Rohrende, beispielsweise mit Übergangspassung oder leichtem Presssitz, aufgeschoben wird. Optionale Längsnuten können dabei einen gleichmäßige Kleberverteilung garantieren und verhindern, dass der Kleber durch das Aufschieben verdrängt wird.
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Aussparungen am Ring können u.a. als Formelemente genutzt werden, um eine Vorrichtung temporär zu koppeln und bei Montage zwei benachbarte Ringe eines Strukturteil zueinander auszurichten.
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Der Ring kann im Wesentlichen aus einer Anordnung von kreisförmig gleichförmig verteilten Taschen aufgebaut sein, welche mit unterschiedlichen Formelementen unterschiedliche Funktionen bereitstellen.
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Wichtigstes Formelement ist dabei die in zwei Raumrichtungen schräg angestellte Kontaktfläche, welche über zwei Anstellwinkel eine keilförmige Ausprägung besitzt. Die Kontaktflächen sind die beiden tangentialen Begrenzungen der Tasche. In radiale Richtung ist die Tasche nach außen vorzugsweise über ein bogenförmiges Segment begrenzt, welches die beiden Kontaktflächen verbindet und gut Torsionsmomente und Schubspannungen zwischen den Kontaktflächen übertragen und abbauen kann. Das bogenförmiges Segment liegt nicht am Koppelpartner an, sodass hier keine radialen Kräfte oder Kippmomente übertragen werden.
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Diese radialen Kräfte und Kippmomente, in insgesamt vier Raumrichtungen, werden an der radialen Innenseite der Taschen vom Gelenkträger direkt auf das Rohr übertragen, indem der Ring beispielsweise Aussparungen besitzt, die ein direktes und geführtes Anliegen der Zahninnenseite auf der freien Mantelfläche des Rohres ermöglichen. Demnach werden diese, im allgemeinen dominanten Belastungen, vor allem in Hinblick auf langsamere Service-Robotik-Applikationen und gegebenenfalls einem vorteilhaften ebenen SCARA-Design, vorwiegend direkt auf das stabile Rohr übertragen, ohne den Kunststoffring zu überlasten.
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Die Verbindung zwischen Ring und Träger erfolgt in Axialrichtung, über Axialkräfte und Torsionsmomente in insgesamt zwei Raumrichtungen, durch Zähne bzw. Klauen, die so ausgeführt sind, dass sie in die Taschen des Rings passen, sodass ihre Flanken die Kontaktflächen der Taschen berühren, die Zahnfüße und Zahnköpfe jedoch keinen axialen Kontakt zu den gegenüberliegenden Flächen haben. In axialer Richtung werden der Ring und der Träger vorzugsweise über eine Schraubenverbindung zusammengezogen, bei der eine Schraube mit breitem Kopf durch eine Durchgangsbohrung geführt wird und möglichst großflächig an der Flanschfläche anliegt.
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Ein Gegengewinde kann im Zahn insbesondere im Zahnkopf des Trägers direkt integriert sein, beispielsweise als eine Einpressmutter, zusätzlich gefügt oder als eingelegte Mutter ausgeführt sein. Letzteres ist hier beispielhaft ausgeführt. Die Mutter kann beispielsweise in eine Aussparung im Zahn von hinten an den Zahnkopf eingelegt werden, derart, dass sie über Formflächen gegen Verdrehen gesichert ist. Auch ein seitlicher Einschub der Mutter von außen ist möglich.
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Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieses exemplarischen Ausführungsbeispiels 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,
- 2 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung in einer ersten Ansicht,
- 3 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung in einer zweiten Ansicht,
- 4 eine Schnittdarstellung der Verbindungsvorrichtung gemäß 2 und 3 in einem getrennten Zustand,
- 5 eine Schnittdarstellung der Verbindungsvorrichtung gemäß 2 und 3 in einem verbundenen Zustand,
- 6 eine perspektivische Schnittdarstellung der Verbindungsvorrichtung gemäß 2 und 3 in einem mittels Schrauben verbundenen Zustand,
- 7 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung der Verbindungsvorrichtung gemäß 6 im Bereich einer Schraube,
- 8 eine perspektivische Darstellung des Anschlussringes der Verbindungsvorrichtung gemäß 2 und 3 in einer Alleinstellung von vorne,
- 9 eine perspektivische Darstellung des Anschlussringes der Verbindungsvorrichtung gemäß 2 und 3 in einer Alleinstellung von hinten,
- 10 eine perspektivische Darstellung des Anschlussringes der Verbindungsvorrichtung gemäß 2 und 3 aufgesetzt auf einem rohrförmigen Glied,
- 11 eine schematische Darstellung der Verbindungsvorrichtung gemäß 2 und 3 mit einem Teilschnitt im Bereich zweier Eingriffselemente-/ Aufnahmen-Verbindungen, und
- 12 eine schematische Darstellung der Verbindungsvorrichtung gemäß 2 und 3 in einem verbundenen Zustand.
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In der 1 ist ein Roboterarm 1 dargestellt. Der Roboterarm 1 weist mehrere Glieder 2 auf, von denen wenigstens ein Glied 2 eine kreiszylindrische Außenmantelwand 3 aufweist. Der Roboterarm 1 weist außerdem mehrere die Glieder 2 gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke 4 auf, von denen wenigstens ein Gelenk 4 einen Gelenkkörper 5 mit einem Gelenkträgerkranz 6 aufweist, wobei das wenigstens eine Glied 2 mit der kreiszylindrische Außenmantelwand 3 mit dem wenigstens einen Gelenkkörper 5 mittels einer Verbindungsvorrichtung 7, wie im Folgenden näher beschrieben ist, verbunden ist.
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Die Verbindungsvorrichtung 7, wie insbesondere in 2 bis 5 dargestellt, dient zum Verbinden eines Glieds 2 des Roboterarms 1 mit einem Gelenkkörper 5 des Roboterarms 1-
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Die Verbindungsvorrichtung 7 umfasst eines der Glieder 2, das eine kreiszylindrische Außenmantelwand 3 aufweist.
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Der Gelenkskörper 5 umfasst einen Gelenkträgerkranz 6, der mehrere über einen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Eingriffselemente 8 aufweist.
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Die Verbindungsvorrichtung 7 umfasst außerdem einen mit der Außenmantelwand 3 des Glieds 2 verbundenen Anschlussring 9, der mehrere über einen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Aufnahmen 10 aufweist, die jeweils ausgebildet sind zum formschlüssigen Aufnehmen jeweils eines der Eingriffselemente 8 des Gelenkträgerkranzes 6, um in einem verbundenen Zustand des Anschlussringes 9 mit dem Gelenkträgerkranz 6, das Glied 2 mit dem Gelenkskörper 5 zu verbinden, indem die Eingriffselemente 8 des Gelenkträgerkranzes 6 formschlüssig in die Aufnahmen 10 des Anschlussringes 9 eingreifen, wie dies insbesondere in 5 und 11 dargestellt ist.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist jedes Eingriffselement 8 des Gelenkträgerkranzes 6 als ein in axialer Steckrichtung S1 vorspringende Klaue 8a ausgebildet.
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Die jeweilige Klaue 8a weist eine in Umfangsrichtung weisende Klauen-Vorderseite 11 und eine entgegen der Umfangsrichtung weisende Klauen-Rückseite 12 auf, wie dies insbesondere in 2, 3 und 11 ersichtlich ist.
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Die Klauen-Vorderseite 11 und die Klauen-Rückseite 12 sind einerseits in einer radial nach innen weisenden Radialrichtung R aufeinander zulaufend schräg angestellt und andererseits auch in axialer Steckrichtung S1 aufeinander zulaufend schräg angestellt.
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Wie insbesondere in 8, 9 und 10 ersichtlich ist, ist jede Aufnahme 10 des Anschlussringes 9 als eine zur jeweiligen Klaue 8a korrespondierende Tasche 10a ausgebildet, die eine in Umfangsrichtung U weisende Taschen-Vorderseite 13 und eine entgegen der Umfangsrichtung U weisende Taschen-Rückseite 14 aufweist, wobei die Taschen-Vorderseite 13 und die Taschen-Rückseite 14 einerseits in einer radial nach innen weisenden Radialrichtung R aufeinander zulaufend schräg angestellt sind und andererseits auch in der axialen Steckrichtung S2 voneinander weglaufend schräg angestellt sind.
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Jede in axialer Steckrichtung S1 vorspringende Klaue 8a weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels jeweils eine Klauen-Innenseite 15 auf, die ausgebildet ist, dass im verbundenen Zustand des Anschlussringes 9 mit dem Gelenkträgerkranz 6 eine jeweilige Klauen-Innenseite 15 der Klaue 8a passgenau auf der Außenmantelwand 3 des Glieds 2 aufsitzt. Dies ist insbesondere in 4 und 5 veranschaulicht.
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Die Eingriffselemente 8 des Gelenkträgerkranzes 6 greifen im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels derart in die Aufnahmen 10 des Anschlussringes 9 ein, dass im verbundenen Zustand des Anschlussringes 9 mit dem Gelenkträgerkranz 6 eine jeweilige in Steckrichtung S1 weisende Stirnwand 16 jeden Eingriffselements 8 unter Belassen eines jeweiligen Spaltes Sp1 in einem Abstand von zugeordneten Bodenwänden 17 der korrespondierenden Aufnahmen 10 des Anschlussringes 9 positioniert sind.
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Wie insbesondere in 8 und 10 dargestellt ist, können die Eingriffselemente 8 des Gelenkträgerkranzes 6 derart in die Aufnahmen 10 des Anschlussringes 9 eingreifen, dass im verbundenen Zustand des Anschlussringes 9 mit dem Gelenkträgerkranz 6 ein jeweiliger in der Steckrichtung S2 weisender Stirnrandsteg 18, der jeweils zwei benachbarte Aufnahmen 10 verbindet, unter Belassen eines jeweiligen Spaltes Sp2 in einem Abstand von zugeordneten, jeweils zwei benachbarte Eingriffselemente 8 verbindenden Fußwänden 19 des Gelenkträgerkranzes 6 positioniert sind. Dies ist auch in 11 veranschaulicht.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist jede Aufnahme 10 eine bogenförmig radial nach außen gewölbte Aufnahme-Umfangsaußenwand 20 auf und jedes Eingriffselement 8 weist eine ebene Eingriffselement-Umfangsaußenwand 21 ( 2, 3) auf, so dass im verbundenen Zustand des Anschlussringes 9 mit dem Gelenkträgerkranz 6 zwischen der jeweiligen Innenseite jeder Aufnahme-Umfangsaußenwand 20 und der korrespondierenden Außenseite der jeweiligen Eingriffselement-Umfangsaußenwand 21 ein Spalt Sp3 gebildet wird.
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Der Anschlussring 9 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels auf der kreiszylindrischen Außenmantelwand 3 des Glieds 2 aufgeklebt.
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Wie insbesondere in 9 ersichtlich ist, kann der Anschlussring 9 eine Innenmantelwand 22 aufweisen, welche eine Kontaktfläche bildet, mit welcher der Anschlussring 9 auf der kreiszylindrischen Außenmantelwand 3 des Glieds 2 aufgeklebt ist, wobei die Innenmantelwand 22 mit Längsnuten 23 versehen ist, die Verteilkanäle für einen Klebstoff bilden, mittels dem der Anschlussring 9 auf der kreiszylindrischen Außenmantelwand 3 des Glieds 2 aufgeklebt wird.
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Der Anschlussring 9 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere über einen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete erste Schraubkanäle 24 (9) auf und der Gelenkträgerkranz 6 des Gelenkskörpers 5 weist eine korrespondierende Anzahl von mehreren über einen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete zweite Schraubkanäle 25 auf, wobei die ersten Schraubkanäle 24 und die zweiten Schraubkanäle 25 ausgebildet sind zur Aufnahme von Schrauben 26 zum geschraubten Verbinden des Anschlussrings 9 mit dem Gelenkträgerkranz 6.
