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Die Erfindung betrifft einen tragbaren Leichtbau-Roboterarm gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11, sowie einen Antrieb einer Bewegungsachse des Roboterarms.
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Solche tragbaren Leichtbau-Roboterarme werden beispielsweise in der Medizintechnik eingesetzt, und eignen sich besonders als Arztassistenzsysteme bei Operationen oder Behandlungen oder bei der Durchführung sonstiger medizinischer Verfahren.
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„Tragbar” heißt in diesem Zusammenhang dass der Arzt oder sonstige Bediener des tragbaren Leichtbau-Roboterarms diesen tatsächlich tragen kann, also zu seinem Arbeitsplatz mitnehmen kann und ihn dort auch ohne großen Instalationsaufwand aufstellen kann.
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Der Leichtbau-Roboterarm muss also in leichter Bauweise aufgebaut sein und eine relativ einfache mechanische und elektronische Schnittstelle aufweisen, über die er am Arbeitsplatz angeschlossen werden kann. Andererseits müssen die zu bewegenden Lasten auch sicher gehandhabt werden. Tragbare Leichtbau-Roboterarme der gattungsgemäßen Art zeichnen sich daher dadurch aus, dass sie mindestens soviel tragen können wie ihr eigenes Gewicht.
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Wie andere Roboterarme auch, sind Roboterarme der gattungsgemäßen Art ferner über eine Mehrzahl von Gelenken in einzelne Armabschnitte unterteilt, welche um ihre eigene Achse, aber auch um senkrecht zur Armabschnittsachse verlaufende Achsen rotiert bzw. verschwenkt werden können, so dass der Roboterarm nahezu frei konfigurierbar sämliche Bewegungen im ihn innerhalb seiner Reichweite umgebenden, dreidimensionalen Raum ausführen kann.
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Zum Antrieb der Bewegungsachsen werden dabei kleine Gleichstrom-Servomotoren eingesetzt, so wie Magnetbremsen, um sicherzustellen, dass die jeweilige Achse in ihrer über den Servomotor angefahrenen Stellung verbleibt. Zum Erfassen der Winkelposition der jeweiligen Achse werden ferner sogenannte Resolver- bzw. Koordinatenwandler eingesetzt, um die Winkellage der jeweiligen Achse als Steuergröße für den die Achse antreibenden Servomotor einsetzen zu können.
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Aufgrund der gerade bei tragbaren Roboterarmen, wie sie beispielsweise bei chirurgischen Anwendungen zum Einsatz kommen, geringen Baugröße und dem damit verbundenen, äußerst geringen Raumangebot, welches als Bauraum für die Achsantriebe, -bremsen und -sensorik zur Verfügung steht, wurden dabei bisher diese Baueinheiten opportunistisch je nach zur Verfügung stehenden Bauraum da eingebaut, wo gerade Platz war.
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Daraus ergeben sich erhebliche Montageprobleme durch die verstreute Anordnung der einzelnen Komponenten mit vielen einzuhaltenden Toleranzen, die eine enorme Abstimmarbeit erfordern und die Montage und den Austausch von Achsantrieben an dem Leichtbauroboterarm zeitaufwändig machen.
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Aufgrund der Vielzahl von angetriebenen Achsen bei derartigen Leichtbau-Roboterarmen, die sich zudem noch auf relativ engem Raum befinden, stellt sich zudem in hohem Maße das Problem der elektromagnetischen Verträglichkeit. Denn die auf engem Raum angeordneten Aktoren und Sensoren an den einzelnen angetriebenen Achsen können sich gegenseitig stören. Gerade im medizintechnischen Umfeld, wenn der Leichtbau-Roboterarm also für den Einsatz in der Medizin z. B. als Arztassistenzsystem ausgerüstet sein soll, herrschen ferner oft feuchte Umgebungsbedingungen, so dass die Elektrik der Antriebe zudem gegen Wasser geschützt werden müssen. Gerade bei den beschriebenen Einsatzszenarien im medizinischen Umfeld stellt sich zudem das Problem, dass die zu den Antriebskomponenten führenden Kabel unbeabsichtigt Zugkräften ausgesetzt werden, etwa beim Transport des tragbaren Leichtbau-Roboterarms von einem Einsatzort zu einem anderen Einsatzort (z. B. von einem OP zu einem anderen OP), so dass es aufgrund abgerissener Kabelverbindungen immer wieder zu Reparaturfällen und damit verbundenen Ausfallzeiten kommt.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem tragbaren Leichtbau-Roboterarm der gattungsgemäßen Art die Montage- und Wartungsfreundlichkeit zu erhöhen und Störfälle aufgrund von Umgebungseinflüssen wie z. B. Feuchtigkeit oder unaufmerksamer Handhabung beim Transport oder aufgrund von gegenseitiger elektromagnetischer Störung der Antriebskomponenten zu verringern.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des tragbaren Leichtbau-Roboterarms mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst, und zwar durch Verwendung einer Antriebsdose mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Der Erfinder hat erkannt, dass es entgegen der bisher herrschenden Meinung auch bei Leichtbau-Robotern möglich und sinnvoll ist, alle einen Antrieb einer Bewegungsachse des Leichtbau-Roboterarms betreffenden Komponenten in einer Antriebseinheit zu integrieren. Denn bisher ging man davon aus, dass es bei Leichtbau-Roboterarmen der gattungsgemäßen Art aufgrund der beengten Raumverhältnisse anders als bei großen Industrierobotern nicht möglich wäre, die einzelnen Antriebskomponenten in eine geschlossene Antriebseinheit und damit ein gemeinsames Gehäuse zu integrieren. Dies gelingt jedoch erfindungsgemäß zum einen durch Auswahl besonders platzsparender Antriebskomponenten, nämlich als Antrieb für die anzutreibende Welle einen in dem Gehäuse unterbringbaren Leichtbau-Torque-Servomotor mit einer Motorwicklung, als Winkellageerfassungseinrichtung zur Erfassung der Winkellage der Antriebswelle eine magnetoresistiv arbeitende Winkellageerfassungseinrichtung mit einem magnetoresistiven Winkelsensor und als Haltebremse zum Halten der Antriebsachse im spannungslosen Zustand des Leichtbau-Torque-Servomotors eine per Federkraft vorgespannte und magnetisch freigebbare Haltebremse mit einer Bremsfreigabewicklung.
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Zum anderen gelingt dies dadurch, dass die in dem Gehäuse erfindungsgemäß zusammengefassten Antriebskomponenten durch gemeinsame Daten- und Stromversorgungsleitungen, die aus dem Gehäuse herausgeführt sind an die Stromversorgung und die Antriebssteuerung angeschlossen werden, wobei erfindungsgemäß Anschlussplatinen in dem Gehäuse vorgesehen sind, an denen die Motorwicklung des Leichtbau-Torque-Servomotors und die Bremsfreigabewicklung der Haltebremse einerseits und der magnetoresistive Winkelsensor andererseits zuglastfrei verdrahtet und an die Daten- und Stromversorgungsleitungen angeschlossen sind. Dadurch gelingt zudem auf einfache bauliche und platzsparende Weise eine Sicherheit gegen Ausreißen der Leitungen aufgrund unabsichtlich aufgebrachter Zuglast oder dergleichen. Um die Anschlussplatine(n) im Gehäuseinneren unterzubringen, kann zumindest eine Anschlussplatine die Form eines Flachringsegments aufweisen, so dass die Anschlussplatine an einer Gehäuseinnenschulter befestigt werden kann, an der sich die Lagerung der Antriebswelle im Gehäuse abstützt.
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Dadurch, dass die gesamte Antriebsaktorik und -sensorik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist, lassen sich die Komponenten nicht nur gegen mechanische Beschädigung von außen schützen und von anderen Antriebseinheiten elektromagnetisch verträglich abschirmen, insbesondere wenn das die Antriebskomponenten umgebende Gehäuse aus Metall besteht, sondern auch eine wasserdichte oder zumindest spritzwassergeschützte Einhausung der Komponenten bewirken. Dazu ist das Gehäuse bis auf die zur Durchführung der Verkabelung nötigen Durchtrittsöffnungen und einer Durchtrittsöffnung für die Antriebswelle sowie im Falle einer Konfiguration mit durch die Antriebswelle verlaufender Verkabelung einer weiteren Durchtrittsöffnung auf der der Durchtrittsöffnung für die Antriebswelle abgewandte Axialseite geschlossen, wobei diese Durchtrittsöffnung dann zum Durchführen der Verkabelung durch die in diesem Fall als Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle und damit die Antriebsdose insgesamt dient.
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Ist die Antriebswelle beispielsweise über zwei Kugellager in dem Gehäuse gelagert, so kann das Gehäuse ferner als Lagerbock zur Befestigung an dem gegenüber dem gehäuseinternen Drehantrieb feststehenden Teil des Roboterarm dienen und die Antriebswelle mit dem um die Bewegungssachse herum bewegbaren Teil, also Armabschnitt des Roboterarms verbunden sein. Hierfür kommen verschiedene Arten der Anbindung in Frage. Die Antriebswelle kann beispielsweise direkt mit dem angetriebenen Armabschnitt verbunden sein, wenn im Bereich der Bewegungsachse genügend Bauraum ist, um dort Platz für die Antriebsdose zu schaffen. Ferner kann die Antriebswelle über an ihrem aus dem Gehäuse herausgeführten Ende mit der Antriebswelle verbundenen Riemenscheibe und einem entsprechenden Riemengetriebe mit dem beweglichen Armausschnitt verbunden sein und muss dann nicht achszentrisch zur Bewegungs- bzw. Drehachse angebracht sein, sondern kann auch etwas davon beabstandet angebracht werden. Zur Befestigung des Gehäuses der Antriebsdose an dem Roboterarm reicht dabei ein Befestigungsflansch oder dergleichen aus, an dem das Gehäuse mit dem Roboterarm verschraubt sein kann. Unterstützend kann ein formschlüssiges Einschieben der Antriebsdose in eine entsprechende Aufnahme am Roboterarm vorgesehen sein.
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Ist das Gehäuse aus Metall, so dient es als elektromagnetische Abschirmung des Antriebs gegenüber den durch die anderen Antriebe am Roboterarm induzierten Magnetfelder. Denn an einem Roboterarm der gattungsgemäßen Art sind eine Mehrzahl von angetriebenen Achsen vorgesehen, bei einem gefertigten Prototyp beispielsweise sieben angetriebene Achsen. Alternativ oder ergänzend dazu kann jedoch auch noch ein Schirm an den zu einem Stromleitungsstrang zusammengefassten, ins Gehäuse führenden Stromleitungen und an den zu einem Datenleitungsstrang zusammengefassten Datenleitungen vorgesehen sein. Ist das Gehäuse insgesamt oder zumindest ein Montagedeckel, durch den die Leitungen in das Gehäuse geführt sind aus Metall, so kann vorteilhaft der Schirm des einen Leitungsstrangs, beispielsweise des Stromleitungsstrangs an dem Gehäuse aufgelegt sein und somit über den Roboterarm selbst geerdet werden. Der Schirm des anderen Leitungsstrangs, beispielsweise des Datenleitungsstrangs kann dann separat davon geerdet werden, in dem er beispielsweise an einer den magnetoresistiven Winkelsensor tragenden Sensorplatine im Gehäuse aufgelegt ist, insbesondere über ein die den Datenleitungen zugeordnete Anschlussplatine und die Sensorplatine verdrahtendes Flachbandkabel. Dadurch gelingt auch gehäuseintern eine Abschirmung der gegenüber elektromagnetischem Störfeldern anfälligen Datenleitungen der MR-Winkellageerfassungseinrichtung gegenüber dem beim Betrieb des Gleichstromsservomotors und Bestromen der Bremsfreigabewicklung erzeugten Magnetfeldern bei vertretbaren Herstellungskosten.
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Im Sinne eines leichten Gewichts, welches die Verwendung einer in einem Metallgehäuse integrierten Antriebseinheit bzw. Antriebsdose an einem tragbaren Leichtbau-Roboterarm überhaupt erst ermöglicht, ist es dabei vorteilhaft, wenn das Gehäuse aus einem Leichtmetall, wie z. B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und – zumindest in dem nicht dem Befestigungsflansch für das Gehäuse am Roboterarm zugeordneten Bereich – sehr kleine Wandstärken aufweist, insbesondere kleiner als 1 mm. Vorteilhaft ist das Aluminiumgehäuse dabei nicht eloxiert, um so die Erdung des Stromleitungsschirms an dem Roboterarm zu ermöglichen.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn ein zwei Durchtrittsöffnungen für die zu einem Stromversorgungsleitungsstrang zusammengefassten Stromversorgungsleitungen einerseits und die zu einem Datenleitungsstrang zusammengefassten Datenleitungen andererseits aufweisender Montagedeckel an dem Gehäuse vorgesehen ist, welcher mit einem die Antriebskomponenten beherbergenden Aufnahmeteil des Gehäuses beispielsweise verschraubt und/oder verklebt sein kann, wobei der Stromversorgungs- und der Datenleitungsstrang vorteilhaft jeweils in einem mit einem Stecker versehenen Strangende münden. Dadurch gelingt nach Einbau der Antriebsdose am Roboterarm ein einfacher Anschluss an die Steuerung und an das Stromnetz bei gleichzeitig einfacher Montage der Antriebsdose.
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Die Leitungsstränge können dabei jeweils durch eine Kabelzugentlastungs-Schraubhülse geführt sein, welche wiederum an den Durchtrittsöffnungen am Gehäusedeckel eingeschraubt ist, so dass sich eine zusätzliche Sicherheit gegen Zugbelastungen ergibt und gleichzeitig eine wasserdichte Abschirmung des Gehäuseinneren an den Durchtrittsöffnungen für die Stromversorgungsleitungen und die Datenleitungen.
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Die Antriebswelle kann dagegen durch einen in etwa ringförmigen und zur Drehachse der Antriebswelle konzentrisch angeordneten Deckel aus dem Gehäuse herausgeführt sein, welcher mit dem die Antriebskomponenten beherbergenden Aufnahmeteile des Gehäuse verbunden, beispielsweise verschraubt und/oder verklebt sein kann, so dass auch an dieser Stelle kein Wasser ins Gehäuse eindringen. Der Durchtritt der Antriebswelle durch den Deckel kann dabei mit einer Dichtung versehen sein, um auch hier den Wassereintritt zu verhindern. Dazu eignet sich beispielsweise ein an der Deckelinnenwand anliegendes Kugellager der Antriebswellenlagerung, welches mit einem Dichtring versehen ist.
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Ist die Antriebswelle im Gehäuse über zwei voneinander beabstandete Kugellager gelagert, kann zumindest an einem der Kugellager der Außenring über eine an einer Gehäuseschulter, beispielsweise der Gehäuseinnenschulter, an der auf der gegenüberliegenden Seite die flachringsegmentförmige Anschlussplatine für die Motorwicklung und die Bremsfreigabewicklung angebracht ist, abgestützte Druckfeder in Axialrichtung zum anderen Lager hin vorgespannt sein. Dadurch können die Toleranzen bei der Fertigung des Gehäuses und bei den verwendeten Kugellagern bzw. der verwendeten Antriebswelle großzügiger gewählt werden.
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Sowohl für den Leichtbau-Torque-Servomotor, als auch für die magnetoresistive Winkelerfassungseinrichtung und die magnetisch freigebbare Haltebremse können dabei am Markt erhältliche Standardsysteme gewählt werden. Torque-Servomotoren, auch Torquemotoren genannt, sind Servomotoren, die sehr hohe Drehmomente bei relativ kleinen Drehzahlen aufweisen. Der Leichtbau-Torque-Servomotor kann beispielsweise als bürstenloser Gleichstromservomotor ausgebildet sein. Bei magnetoresistiven Winkellageerfassungseinrichtungen, die am Markt erhältlich sind, ist die den magnetoresistiven Winkelsensor tragende Sensorplatine in Flachringsegmentform ausgebildet. Diese Sensorplatine kann dann an der gleichen Gehäuseinnenschulter wie die flachringsegmenteförmige Anschlussplatine angebracht werden, nur in einem anderen radialen Winkelbereich. Der Bauraum im Gehäuse ist somit optimal genutzt, ohne dass durch das Anbringen der Anschlussplatine in axialer Richtung zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
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Am Markt erhältliche bürstenlose Gleichstromservomotoren, die die für tragbare Leichtbau-Roboterarme niedrigen Gewichtswerte aufweisen, haben beispielsweise eine inwandig im Gehäuse anbringbare, vorteilhaft einklebbare Statorwicklung, sowie eine Reihe von Permanentmagnetsegmenten, die kranzförmig auf der Antriebswelle angebracht, ebenfalls bevorzugt aufgeklebt werden können, und zwar naturgemäß auf axialer Höhe der Motor- bzw. Statorwicklung. Vorteilhaft ist die Antriebswelle dabei zumindest bereichsweise hohl und besteht aus einem Leichtmetall, wie beispielsweise einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, um auch hier Gewicht und anzutreibende Masse einzusparen.
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Gängige Sicherheits- bzw. Haltebremsen, welche über Druckfedern vorgespannt sind und über das Bestromen einer Magnetwicklung freigegeben werden können, werden dagegen ebenfalls als Module geliefert, die bereits einen Bremswellenstummel aufweisen, der an seinem einen axialen Ende mit der zu bremsenden Welle verbindbar ist und an seinem anderen axialen Ende als Bremsscheibe mit einer in Normalrichtung zur Wellenachse verlaufenden Bremsfläche ausgebildet ist. Insofern ist es vorteilhaft, wenn die Antriebswelle aus einem Antriebswellenstummel einerseits und einem Bremswellenstummel andererseits zusammengesetzt ist, so dass für den Leichtbau-Torque-Servomotor und die Haltebremse am Markt erhältliche Standardkomponenten verwendet werden können.
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Auf die Antriebswelle kann dann vorteilhaft im Bereich des Antriebswellenstummels ein Signalgeberring aufgebracht, bevorzugt aufgeklebt sein, der als Signalgeber für den MR-Winkelsensor der magnetoresistiven Winkellageerfassungseinrichtung dient.
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Im Sinne einer möglichst vollkommenen Abkapslung des Gehäuseinneren gegenüber der Umgebung ist ein bis auf die Durchtrittsöffnungen für die Leitungsstränge und die Antriebswelle möglichst vollständig geschlossenes Gehäuse vorteilhaft. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse daher einen in etwa tassenförmigen, zur Drehachse der Antriebswelle konzentrisch angeordneten Aufnahmeteil auf, in dem die Antriebskomponenten mitsamt den Platinen untergebracht sind, wobei der Aufnahmeteil an der axialen Seite, an der die Antriebswelle nicht aus dem Gehäuse herausgeführt ist, sondern die Haltebremse angeordnet ist, geschlossen ist. An seiner gegenüberliegenden axialen Seite, an der die Antriebswelle aus dem Gehäuse herausgeführt ist, kann dann der Deckel vorgesehen sein, wie schon vorstehend beschrieben, durch den die Antriebswelle hindurchgeführt ist. Der Aufnahmeteil kann dort ferner einen umlaufenden Befestigungsflansch oder einzelne, über seinen Umfang verteilte Befestigungsflanschsegmente bzw. -laschen aufweisen, an dem bzw. an denen er mit dem Leichtbau-Roboterarm verbindbar, also beispielsweise verschraubbar ist. In einem radialen Seitenabschnitt des Aufnahmeteils kann ferner ein eine Leitungszufuhröffnung umgrenzender Anschlussstutzen angeformt sein, der mit dem Montagedeckel verschlossen ist, durch den die Stromversorgungsleitungen und die Datenleitungen aus dem Gehäuse herausgeführt sind.
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Der Aufnahmeteil muss dabei nicht einstückig sein. So ist es insbesondere vorteilhaft, wenn auf der dem Deckel mit dem Durchtritt für die Antriebswelle zugewandten Seite ein mit dem Deckel verschraubbares Deckel- und Platinenhalterungsstück vorgesehen ist, an dem in Normalrichtung zur Antriebsachse verlaufende Innenwandabschnitte zur Antriebswelle hin nach innen vorstehen, an denen die Sensorplatine und/oder zumindest eine der Anschlussplatinen für die Stromleitungen und/oder die Datenleitungen befestigt werden können, und zwar möglichst auf der der Motorwicklung abgewandten Seite der Innenwandsegmente, so dass sich eine zusätzliche Schirmung der Platinen gegen die vom Motor erzeugten, umlaufenden Magnetfelder ergibt. Dabei gelingt ferner ein einfacher Einbau der Leichtbau-Torque-Servomotorkomponenten auf der einen Seite der Innenwand und der Haltebremskomponenten und Winkellageerfassungseinrichtungskomponeten auf der anderen Seite der Innenwand, wenn die Antriebsachse, wie vorstehend beschrieben, in einen Antriebswellenstummel und einen Bremswellenstummel getrennt ist.
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Eine solche geschlossene Antriebsdose eignet sich besonders zum außenwandigen Befestigen an dem Roboterarm, aber auch zum Einschub in eine in horizontal oder senkrecht zur Achsrichtung eines Armabschnitts des Roboterarms verlaufende Öffnung am Roboterarm, wobei die Leitungsanschlüsse dann ins Freie geführt und zugänglich sein sollen. Für Antriebseinheiten, die zum Drehen von Armabschnitten um ihre Achse dienen sollen und nicht zum Verschwenken der Armabschnitte, ist es dagegen vorteilhaft, wenn die Antriebswelle vollständig als Hohlwelle ausgeführt ist und das Gehäuse entsprechende Öffnungen aufweist, so dass durch die Antriebsdose hindurch die Verkabelung für weiter oben am Roboterarm sitzende Antriebsdosen oder andere Antriebseinheiten hindurchgeführt werden können. Für an dieser Stelle eingesetzte Antriebsdosen ist der Aufnahmeteil daher vorteilhaft an seinen beiden axialen Enden mit einem abnehmbaren Deckel versehen, wobei an seinem einen axialen Ende die Antriebswelle durch den dortigen Deckel hindurch nach außen geführt ist und an seinem anderen axialen Ende der dortige Deckel als Montagedeckel mit einem Anschlussstutzenabschnitt mit den Durchtrittsöffnungen für die Daten- und Stromleitungen versehen ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines tragbaren Leichtbau-Roboterarms gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 Einzelheit II in 1 in einer vertikal verlaufenden Schnittebene;
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3 das obere Ende in der 1 gezeigten Leichtbau-Roboterarms in einer perspektivischen Ansicht;
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4 eine perspektivische Ansicht einer Antriebsdose gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wie sie bei den in den vorhergehenden Figuren gezeigten Leichtbau-Roboterarm zum Antrieb an den Schwenk-Bewegungsachsen eingesetzt wird;
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5 eine Schnittansicht der in 4 gezeigten Antriebsdose entlang einer durch die Antriebsachse verlaufenden Schnittebene;
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6 eine Schnittansicht entlang Linie VI-VI in 5;
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7 eine schematische Ansicht der Verdrahtung der Stromversorgung bei der in den 4–6 gezeigten Antriebsdose;
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8 eine schematische Ansicht der Verdrahtung der Datenleitungen bei der in den 4–6 gezeigten Antriebsdose;
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9 eine perspektivische Ansicht einer Antriebsdose gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wie sie bei dem in den 1–3 gezeigten Leichtbau-Roboterarm zum Verdrehen der um ihre Achse drehbeweglichen Armabschnitte eingesetzt wird;
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10 eine Schnittansicht durch die in 9 gezeigte Antriebsdose in einer durch die Antriebsachse verlaufenden Schnittebene.
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Zunächst wird Bezug genommen auf die 1, in der eine Seitenansicht eines tragbaren Leichtbau-Roboterarms gezeigt ist, der für medizinische Einsatzzwecke, z. B. als Arztassistenzsystem in der Chirurgie geeignet ist.
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Der Roboterarm hat dabei einen untersten Armabschnitt 0, an dem er orts- und drehfest an einem Unterbau, wie beispielsweise einem Tisch oder dergleichen befestigtbar ist. Der unterste Armabschnitt 0 hat dazu einen Umlaufflanschabschnitt und einen zylindrischen Lagerringabschnitt, auf dem der nächstobere Armabschnitt 1 des Leichtbau-Roboterarms verdrehbar gelagert ist. Zum Verdrehen des Armabschnitts 1 gegenüber dem Armabschnitt 0 um die Achse des Armabschnitts 1 herum ist unterseitig an dem Befestigungsflanschabschnitt des Armabschnitts 0 eine Antriebsdose 5 befestigt, die die dafür nötigen Antriebskomponenten enthält. Oberseitig schließt ein Armabschnitt 2 an den Armabschnitt 1 an, wobei dieser gegenüber dem Armabschnitt 1 in zwei zueinander senkrechten Schwenkachsen verschwenkbar ist. Analog dazu ist der oberseitig an den Armabschnitt 2 anschließende Armabschnitt 3 gegenüber dem Armabschnitt 2 verschwenkbar, ebenso ein oberseitig an den Armabschnitt 3 anschließender, oberster Armabschnitt 4 gegenüber dem Armabschnitt 3.
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Zum Verschwenken sind dabei jeweils Antriebsdosen 6 vorgesehen, und zwar zum Verschwenken um eine durch die Blattebene der 1 verlaufende Schwenkachse in einer Konfiguration mit einer am Ende der Antriebswelle angebrachten Riemenscheibe in exzentrischer Anordnung zur Schwenkachse und einem über einen Riemen angebundenen, zwischengeschalteten Vorgelege. Die zum Antrieb um eine in der Blattebene der 1 liegende Schwenkachse dienenden Antriebsdosen 6 (zwischen Armabschnitt 1 und 2) liegen dagegen auf der Schwenkachse, wobei zwei Antriebsdosen 6 nebeneinander auf der Schwenkachse angeordnet sind und mit ihren einander abgewandten Antriebswellenenden an einem Joch befestigt sind, über welches der Armabschnitt 2 mit dem Armabschnitt 1 verbunden ist.
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2 zeigt dabei die Antriebsdose bzw. Antriebseinheit 5 in ihrer am Armabschnitt 0 montierten Stellung. Man erkennt die durch die Antriebsdose führende Aushöhlung um eine Antriebsachse A herum, durch welche die Verkabelung für weiter oben liegende Antriebsdosen 6 geführt werden kann.
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3 zeigt dagegen die Verbindung des obersten Armabschnitts 4 mit dem nächst unteren Armabschnitt 3. Dabei sind exzentrisch zu einer Schwenkachse B, um die der oberste Armabschnitt 4 gegenüber dem nächst unteren Armabschnitt 3 verschwenkt werden kann zwei Antriebsdosen 6 nebeneinander auf einer zur Schwenkachse B achsparallel gelegenen Achse angeordnet, welche jeweils über einen Riemen mit einem Schwenkabschnitt des obersten Armabschnitts 4 verbunden sind.
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Eine der beiden dort verbauten Antriebsdosen 6 – ohne an der Antriebswelle befestigter Zahnriemenscheibe – ist dabei in den 4 und 5 dargestellt. Die Antriebsdose 6 weist ein Gehäuse auf, welches aus einem in etwa tassenförmigen Aufnahmeteil 9, 10 besteht, welcher konzentrisch zu einer Drehachse einer Antriebswelle 21, 24 angeordnet ist, an seinem von der Antriebswelle 21, 24 durchdrungenen axialen Ende von einem Deckel 11 verschlossen ist, und an einem in einem Radialseitenabschnitt befindlichen Anschlussstutzenabschnitt 9a von einem Montagedeckel 12 verschlossen ist, welcher zwei Durchtrittsöffnungen aufweist, durch die die Verkabelung der Antriebsdose 6 ins Gehäuseinnere geführt ist.
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Der Aufnahmeteil besteht dabei aus zwei einzelnen Stücken 9, 10 die miteinander verschraubt sind. Dabei ist das eine Stück 10 als zentraler Deckel- und Platinenträger mit in Normalrichtung zur Achse der Antriebswelle 21, 24 verlaufenden Wandabschnitten ausgebildet, an denen Platinen 31, 32 angeschraubt sind, wobei diese Wandabschnitte die Antriebswelle 21, 24 ringförmig umgeben und einen Bereich des Gehäuses 9, 10, 11, 12, in dem sich ein zum Antrieb der Antriebswelle 21, 24 dienender, beispielsweise als Gleichstromservomotor ausgeführter Leichtbau-Torque-Servomotor 21, 22, 23 befindet, von einem Bereich, in dem sich eine Haltebremse 24, 26, 27, 28, 29, sowie die Kabeleinleitung in das Gehäuse und Anschluss- und Detektorplatinen 31, 32, 33 befinden, abtrennt. Dadurch wirkt das Gehäuse 9, 10, 11, 12 nicht nur als Schirm für die im Aufnahmeteil untergebrachten Antriebskomponenten, sondern auch gehäuseintern als Abschirmung der störempfindlichen Messsensorik zur Erfassung der Winkellage der Antriebswelle 21, 24 von dem starke Magnetfelder produzierenden Gleichstrommotor 21, 22, 23.
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Die Antriebswelle 21, 24 besteht dabei aus einem dem Leichtbau-Torque-Servomotor 21, 22, 23 zugeordneten Motorwellenstummel 21 und einem der Haltebremse 24, 26, 27, 28, 29 zugeordneten Bremswellenstummel 24, die miteinander zentriert und verschraubt sind. Dadurch können für den Leichtbau-Torque-Servomotor 21, 22, 23 und für die Haltebremse 24, 26, 27, 28, 29 am Markt erhältliche Standardkomponten verwendet werden, welche im Fall der Haltebremse den Bremswellenstummel 24 bereits umfassen.
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Der Leichtbau-Torque-Servomotor 21, 22, 23 ist dabei in einem durch den Deckel 11 und das zentrale Platinenträgerstück 10 des Aufnahmeteils 9, 10 gebildeten Gehäuseinnenraum untergebracht, in dem auch die Lagerung der Antriebswelle 21, 24 angeordnet ist. Der Leichtbau-Torque-Servomotor 21, 22, 23 weist dabei eine außenumfangsseitig in das Gehäuse 9, 10, 11, 12, im vorliegenden Beispiel im Bereich des Deckels 11 eingeklebte Statorwicklung 23 auf, sowie den mit kranzförmig aufgeklebten Permanentmagnetsegmenten 22 versehenen Antriebswellenstummel 21, welcher an seinem das Gehäuse 9, 10, 11, 12 durchdringenden axialen Ende mit Gewindebohrungen zum Anbringen von Drehmomentübertragungselementen versehen ist. Im Motorabteil des Gehäuses 9, 10, 11, 12 ist ferner die Lagerung der Antriebswelle 21, 24, angeordnet, welche zwei axial voneinander beabstandete Radialkugellager 17, 18 aufweist, welche mit Dichtringen 25 versehen sind, so dass das am Deckel 11 befindliche Radialkugellager 17 gleichzeitig als Dichtung für die Durchtrittsöffnung der Antriebswelle 21, 24 durch den Gehäusedeckel 11 dient. Während sich dieses Radialkugellager 17 mit seinem Außenring direkt am Gehäusedeckel 11 abstützt und mit seinem Innenring an einer Schulter der Antriebswelle 21, ist das andere Radialkugellager 18 über eine zum Toleranzenausgleich dienende Druckfeder 19 und eine Druckscheibe 20 an einem in Normalrichtung zur Achse verlaufenden Innenschulterabschnitt des Platinenträgerstücks 10 abgestützt und mit seinem Innenring an einer Schulter der Antriebswelle 21, 24.
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Am dem dem Gehäusedurchtritt der Antriebswelle 21, 24 abgewandten, anderen Axialende der Antriebswelle 21, 24 befindet sich dabei die Haltebremse 24, 26, 27, 28, 29 in einem durch das Platinenträgerstück 10 und ein Bremsaufnahmestück 9 gebildeten Gehäuseinnenraum. Die Haltebremse 24, 26, 27, 28, 29 weist dabei einen mit dem Antriebswellenstummel 21 zentrierten und verschraubten Bremswellenstummel 24 auf, dessen Stirnende als Bremsscheibe mit einer ringförmigen, sich in Normalrichtung zur Antriebswellenachse erstreckenden Bremsfläche ausgebildet ist. In einem mit dem Bremsaufnahmestück 9 des Gehäuses 9, 10, 11, 12 verschraubten Halter 28 sind dabei nicht dargestellte, in Axialrichtung wirkende Druckfedern abgestützt, über welche ein einen Reibbelag 26 tragendes Bremselement 27 gegen die Bremsfläche des Bremswellenstummel 24 vorgespannt ist. In dem Halter 28 ist ferner eine ringförmige Magnetspule 29 untergebracht, die bei Bestromung das Bremselement 27 mit dem Reibbelag 26 von der Bremsscheibe am Bremswellenstummel 24 abhebt. Durch die Halte- bzw. Sicherheitsbremse 24, 26, 27, 28, 29 kann somit verhindert werden, dass der Roboterarm in unbestromtem Zustand zusammenfällt. Gleichzeitig kann dann, wenn die Magnetspule 29 der Haltebremse 24, 26, 27, 28, 29 gleichzeitig mit der Statorwicklung 23 des als Gleichstromservomotor ausgebildeten Leichtbau-Torque-Servomotor 21, 22, 23 bestromt werden, sichergestellt wird, dass die Antriebswelle 21, 24 zur Betätigung freigegeben wird.
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In einem axial dem Leichtbau-Torque-Servomotor 21, 22, 23 und der Sicherheitsbremse 24, 26, 27, 28, 29 zwischengeordneten Bereich befindet sich dabei eine Winkellageerfassungseinrichtung 30, 31, welche einen auf die Antriebswelle 21, 24 aufgeklebten Signalgeberring 30 aufweist, der als Inkrementalgeber ausgebildet ist und von einem auf einer Sensorplatine 31 aufgenommenen magnetoresistiven Sensor abgetastet wird.
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Die den MR-Sensor tragende Sensorplatine 31 ist dabei als flacher Träger in Ringsegment- Halbmond- oder Streifenform an die normal zur Antriebswellenachse verlaufende Gehäuseinnenwand des Platinenträgers 10 auf der dem Leichtbau-Torque-Servomotor 21, 22, 23 abgewandten Seite aufgeschraubt und über ein nicht dargestelltes Flachbandkabel mit einer Anschlussplatine 33 zuglastfrei verdrahtet. Die im Flachbandkabel von der Detektorplatine 31 zur Anschlussplatine 33 geführten Datenleitungen sind im weiteren Verlauf, wie insbesondere 8 zu entnehmen ist, zu einem Datenleitungsstrang zusammengefasst und durch eine im Montagedeckel 12 vorgesehene Zugentlastungs-Kabelverschraubungshülse 14 aus dem Gehäuse 9, 10, 11, 12 herausgeführt und münden in einem mit einem Anschlussstecker 16 versehenen Strangende.
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Im der Detektorplatine 31 radial gegenüberliegenden Bereich des Gehäuseinnenraums ist auf der den Leichtbau-Torque-Servomotor 21, 22, 23 abgewandten Seite der Innenwand des Platinenträgers 10 eine weitere, bevorzugt ringsegmentförmige Anschlussplatine 32 an die Innenwand angeschraubt. Die Anschlussplatine 32 ist einerseits mit den Stromversorgungsleitungen für die Motorwicklung 23 und den Haltebremsen-Magnetspulen 29 zuglastfrei verdrahtet und andererseits an die ebenfalls durch eine Zugentlastungs-Kabelverschraubungshülse 13 zu einem Stromversorgungsleitungsstrang zusammengefassten Stromversorgungsleitungen angeschlossen.
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Die Verdrahtung der Motorwicklung 23 und der Bremsmagnetspulen 29 über die Anschlussplatine 32 ist am besten der 7 zu entnehmen, in der die vom Gehäuseäußeren zur Anschlussplatine 32 führenden Stromversorgungsleitungen mit 34 bezeichnet sind. Die Stromversorgungsleitungen 34 sind dabei zu einem an einem mit einem Stecker 15 versehenen Strangende mündenden Stromversorgungsleitungsstrang zusammengefasst und durch die mit der Zugentlastungs-Kabelverschraubungshülse 13 versehene Durchtrittsöffnung im Montagedeckel 12 geführt. Die Stromversorgungsleitungen 34 sind dabei mit einem Schirm versehen, der an der Zugentlastungs-Kabelverschraubungshülse 13 an dem Montagedeckel 12 aufgelegt ist. Auch die Datenleitungen 35 verlaufen geschirmt, wobei der Schirm an der Datenleitungsplatine 33 aufgelegt ist und über das Flachbandkabel mit der Dedektorplatine 31 verbunden ist (8).
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6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie VI-VI in 5 bei abgenommenem Bremsaufnahmegehäuseteil 9 und nur teilweise eingezeichneter Verkabelung 34, 35. Man erkennt dort die Stromversorgungs-Anschlussplatine 32, welche eine ringsegmentförmige Form aufweist und an der sich in Normalrichtung zur Antriebswellenachse erstreckenden, umlaufenden Innenwand des Platinenträgers 10 befestigt ist. Man erkennt ebenfalls die Sensorplatine 31, welche sich in einem in etwa gegenüberliegend zur Anschlussplatine 32 befindlichen radialen Abschnitt befindet und ebenfalls an der Innenwand des Platinenträgers 10 befestigt ist. An dem Platinenträger 10 befinden sich außenumfangsseitig vier Befestigungslaschen mit je zwei Bohrungen, an denen zum einen der Gehäusedeckel 11 aufgeschraubt ist und zum anderen das Gehäuse 9, 10, 11, 12 bzw. die Antriebsdose insgesamt an dem Roboterarm befestigt werden kann.
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6 zeigt die Anschlussdose 6 bei abgenommenem Bremsabdeckungsstück 9. Das Bremsabdeckungsstück 9 ist, wie insbesondere den 4 und 5 zu entnehmen ist, vorteilhaft lediglich über die Verschraubung am Montagedeckel 12 und über die Verschraubung mit dem Bremsgehäuse 28 (5) indirekt mit dem Platinenträger 10 verbunden und kann somit auf einfache Weise montiert werden.
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Die 9 und 10 zeigen eine Antriebsdose 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Konfiguration mit Hohlwelle vorgesehen ist, durch die beispielsweise Kabel durchgeführt werden können. Eine solche Antriebsdose 5 ist bei dem in 1 gezeigten Roboterarm unten am Armabschnitt 0 befestigt, um den Armabschnitt 1 und damit den gesamten Roboterarm um die Achse des Armabschnitts 1 herum gegenüber dem orts- und drehfest zu befestigten Armabschnitt 0 zu verdrehen.
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Die Antriebsdose 5 weist dazu ein Gehäuse 39, 40, 41, 42 auf, welches bis auf die oberseitige Durchtrittsöffnung für die Antriebswelle 51, 54 im Bereich eines ringscheibenförmigen Deckels 39 und die Kabeldurchführungsöffnung an der gegenüberliegenden, im Einbaufall der 1 unterseitigen Axialende, sowie die Durchtrittsöffnungen für die durch die Antriebswelle 51, 54 geführte Verkabelung im Bereich eines Anschlussstutzens 42 geschlossen ist.
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Der Deckel 39 mit der Durchtrittsöffnung für die Antriebswelle ist dabei an einem ringförmigen Befestigungsflansch mit einem in etwa kreiszylindrisch ausgebildeten Aufnahmeteil 40 verbunden, wobei an dem zur Befestigung des Deckels 39 an dem Aufnahmeteil 40 dienenden Umlaufflansch Bohrungen zur Befestigung der Antriebsdose 5 am Roboterarm vorhanden sind. Auf der dem Deckel 39 gegenüberliegenden Axialseite ist der Aufnahmeteil 40 mit einem ringscheibenförmigen Ringabschnitt 41 eines Montagedeckels 41, 42 verschraubt und/oder verklebt, an dem exzentrisch zur Antriebswellenachse ein Anschlussstutzenabschnitt 42 angeformt ist, durch den Stromversorgungs- und Datenleitungen aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Der Ringabschnitt 41 des Montagedeckels 41, 42 weist dabei eine mit der in Antriebsachsrichtung verlaufenden Innenaushöhlung des ringförmigen Bremsgehäuses 58 (10) fluchtende Durchtrittsöffnung auf, durch die hindurch und im weiteren Verlauf durch die Innenhöhlung der Antriebswelle 51, 54 hindurch eine Kabelführung für weiter oben am Roboterarm gelegene Antriebsdosen 6 geführt werden kann.
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In etwa in der Mitte des Gehäuses, in Axialrichtung der Antriebswelle 51, 54 gesehen ist dabei wiederum eine als Platinenträger dienende, in Normalrichtung zur Antriebswellenachse verlaufende Innenwand vorgesehen, an der die den MR-Sensor tragende Detektorplatine 31 und die Stromversorgungs-Anschlussplatine 32 angeschraubt sind. Auf der den Platinen 31, 32 abgewandten Seite der Innenwand befindet sich wiederum der Leichtbau-Torque-Servomotor 51, 52, 53, dessen Motorwicklung 23 in das von dem Deckel 39 und dem Aufnahmeteil 40 umschlossene Abteil eingeklebt ist und dessen Permanentmagnetsegmente 22 kranzförmig auf einen Motorwellenstummel 51 der Antriebswelle 51, 54 aufgeklebt sind.
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Der Motorwellenstummel 51 ist an seinem der Durchtrittsöffnung der Motorwelle am Deckel 39 abgewandten axialen Ende wiederum mit einem Bremswellenstummel 54 zentriert und verschraubt, der in diesem Fall jedoch ebenso wie der Motorwellenstummel 51 hohl ist. An dem Motorwellenstummel 51 ist die Bremsscheibe für die Haltebremse 54, 56, 57, 58 und 59 ausgebildet. Zum Betätigen des Bremselements 57 mit dem Reibbelag 56 in axialer Richtung dient wiederum eine Magnetspule 59, die in einer ringförmigen Ausnehmung eines Bremsgehäuses 58 untergebracht ist, wobei das Bremselement 57 über nicht dargestellte Druckfedern zur am Bremswellenstummel 54 ausgebildeten Bremsscheibe hin vorgespannt ist. Die Haltebremse 54, 56, 57, 58, 59 ist dabei in einem von dem Aufnahmeteil 40 und dem Montagedeckel 41, 42 umschlossenen Bremsabteil des Gehäuses 39, 40, 41, 42 untergebracht, in dem sich auch die Dedtktorplatine 31, die Anschlussplatine 32, sowie eine Anschlussplatine 63 für die zuglastfreie Verdrahtung der von der Dedektorplatine 31 kommenden Datenleitungen mit dem durch das Gehäuse nach außen zu dem Stecker 16 geführten Datenleitungsstrang befindet.
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Abweichungen und Modifikationen von den gezeigten Ausführungsformen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
