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Schwerkraftausgleichsvorrichtung für einen Auslenkarm
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwerkraftausgleichsvorrichtung
für einen drehbaren Arm und insbesondere auf eine Schwerkraftausgleichsvorrichtung
zum Ausgleich des Schwerkraftmom-nts eines Auslenkarms eines vielgelenkigen Roboters
des Typs, der einmal vor- bzw.
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eingegebene Bewegungen nachvollzieht (playback-Verfahren).
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Beim Betrieb eines vielgelenkigen Roboters durch elektrische oder
hydraulische Motoren wird das meiste von deren Antriebskraft zum Ausgleich der Schwerkraftmomente
der jeweiligen Dreh- bzw. Auslenkarme des Roboters aufgebraucht. Dieses Schwerkraftmoment
soll natürlich auf ein Minimum reduziert werden; fUr diesen Zweck kam man immer
wieder auf einen Ausgleichsmechanismus zurück,
der eine Zugfeder
verwendet und dessen schematische Anordnung in Fig. 1 gezeigt ist, die bereits an
dieser Stelle erläutert werden soll.
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Ein Arm 1 ist drehbar um einen festen Drehpunkt B und eine Zugfeder
2 ist zwischen einem festen Punkt C, der unter einem geringen Abstand a direkt senkrecht
über dem Drehpunkt B liegt, und einem beliebigen Punkt auf dem Arm, z . B. dem Endpunkt
A, gespannt. Beträgt der Abstand zwischen den beiden Punkten A und B R, die aus
jeweiligen Lage des Arms folgende Länge der Feder2 e, die am Punkt A des Arms 1
wirkende Last W, die Spannkraft der Feder 2 am PunktA/F, der Winkel des Arms mit
der Horizontalen e , und der Winkel der Feder mit der Horizontalen « ) so wird das
aus der Schwerkraft folgende Moment M1 des Arms zu M1 = WRcos e (1) Andererseits
beträgt das durch die Spannfeder verursachte Moment M2 M2 = Fachs « (2) Falls die
ungespannte Länge der Feder L und die Federkonstante k beträgt, ergibt sich die
Spannkraft F zu F = k . (t - L) (3) Fig. 2 zeigt den Kurvenverlauf für die Momente
M1 und M2 für die realistischen Werte von W = 50 Kilopcnd, R = 1000 mm, k = 1 Kilopond/mm
und a = 200 mm. In diesem Diagramm stellt die horizontale Achse den Neigungswinkel
e des Arms und die vertikale Achse das Moment in Kilopond x Meter dar, wobei die
durchgezogene bzw. unterbrochene Linie das schwerkraftil7crnent M1 bzw. das durch
die Federkraft verursachte Moment M2 zeigt. In diesem Fall
ist die
ungespannte Länge L der Feder 2 sc bestimmt, daß der Arm in den Winkelstellungen
6 = 0° und 900 vollkommenen Gewichtsausgleich erfährt.
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Das gestrichelte Gebiet im Diagramm gernäß Fig. 2 zeigt den Anteil
des nicht ausgeglichenen Schwerkraftmoments an, der maximal 16 Kilopcnd x Meter
beträgt. Wie daraus klar ersichtlich ist, kann die herkömmliche Anordnung mit einer
Zugfeder 2 den Arm nur annähernd ausbalancieren, sie ist jedoch nicht in der Lage,
vollständig einen Gleichgewichtszustand aufrecht zu erhalten. Gemäß Fig.
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1 stehen nämlich die Längen des Arms und der Feder in folgender Beziehung
zueinander: cos α = Rcos 6 (4) Die Bedingung für vollkommenen Gewichtsausgleich
ist M1 = M2 und somit folgt aus Gleichung (1) und (2) R WRcos # = Fa . #cos # Rcos#(W
- a .F/#) = 0 ........ (5) Da cos e nicht nctwendigerweise den Wert 0 annimmt und
R = 0 bedeutet, daß kein Arm vorhanden ist, folgt als Bedingung für vollkommenes
GleIchgewicht W - a . F/# = O ............(6) wobei W und a Konstante sind, sc daß
gilt F/e = w/a = konstant Somit ist es erforderlich, der Bedir.gung F -e zu genügen.
In anderen Wcrten: Vollkommener GewichtsausgleIch kann nicht erreicht werden, wenn
die angelegte
Spannkraft F nicht proportional zur Länge e ist. Da
jedoch die Zugfeder 2 in der ungespannten Länge keine Spannkraft hat, ist es unmöglich,
daß bei e = O F = 0 ist. Aus diesem Grund ist der herkömmliche Mechanismus nicht
in der Lage, für den Auslenkarm vollkommenen Gewichtsausgleich zu erbringen.
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Ein System, das vollkommen das Schwerkraftmoment eines drehbaren Arms
ausgleicht, ist im Fall des sogenannten direkten Pregrammierens erwünscht, bei welchem
eine Betätigungsbewegung durch Ergreifen und Führen des vorderen Endes des Arms
des Roboters im ausgeschalteten Zustand erfolgt. Obwohl gewünscht wird, daß ein
Roboterarm unabhängig von der Bewegungsrichtung bei manueller Betätigung eines vielgeler-kigen
Arms leicht bewegt werden kann, erübrigt sich hinzuzufUgen, daß ein Roboterarm selbst
im allgemeinen ein relativ grcßes Gewicht hat, das leicht zu senken aber schwer
zu heben ist. Folglich werden dadurch gleichmäßige manuelle Eingabe bzw. Programmierbewegungen
verhindert und unnötige Drehmomente der Servcsteuerung erfcrderlich, zusammen mit
dem Problem der geringen Positioniergenauigkeit beim playback (Nachahmbetrieb).
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Der Erfindung liegt daner die Aufgabe zugrunde, einen neuen Schwerkraftausgleichsmechanismus
zu schaffen, der das Gewicht eines Auslenkarms unabhängig vom Neigungswinkel des
Arms vollständig ausgleicht. Insbesondere soll der Mechanismus für einen Auslenkarm
eines Roboters geeignet sein und eine Druckfeder umfassen, die zum fast vollkommenen
Sohwerkraftsausglelch des Arms angecrdnet ist. Ferner soll ein Industrieroboter
geschaffen werden, der zusätzlich zur oben erwahnten Gewichtsausgleichsvcrrichtung
ein Drehantriebssystem mit einer Kupplung an der Ausgangsseite eines Untersetzungsgetrie-
bes
verwendet, um lösbar mit dem Untersetzungsgetriebe einen angetriebenen Teil des
Roboters'wie einen Auslenkarm oder einen Gelenkabschnitt am die Arbeit ausführenden
Ende eines Auslenkarms zu koppeln. Weiterhin soll ein vielgelenkiger Industrieroboter
geschaffen werden, bei dem die oben erwähnte Gewichtsausgleichsvorrichtung jeweils
an einem seiner ersten und zweiten Arme angebracht ist und wobei ein fest an der
Drehachse des zweiten Arms angebrachtes Gegengewicht vorgesehen ist, um die Änderungen
im Schwerkraftmoment des zweiten Arms, die durch die Drehung eines am vcrderen Ende
des zweiten Arms angebrachten Gelenkabschnitts hervorgerufen werden, auszugleichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
im Patentanspruch 1 gelöst.
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Entsprechend einem wesentlichen GesichtspunKt der Erfindung ist eine
Schwerkraftausgleichsvorrichtung zum Ausgleich des Schwerkraftmcments eines Auslenkarms
vorgesehen, die zwischen einem festen, unter einem bestimmten Abstand a im wesentlichen
direkt senkrecht über einem Drehpunkt des Arms liegenden Punkt und einem beliebigen
Punkt auf dem Arm selbst eingebaut ist, und folgendes Bauteil umfaßt: Eine Druckfeder
mit einer Federkonstante k, deren 6ert der Last W am beliebigen Punkt geteilt durch
den Abstand a entspricht, deren freie, d.h. unge -spannte Länge der Summe aus der
Länge e zwischen dem festen und dem beliebigen Punkt und der anfänglich festgesetzten
Länge e5 der Druckfeder entsprIcht, und die in der Lage ist, eine das Gleichgewicht
haltende Spannkraft aufzubringen, die im Verhältnis zum Abstand zwischen festem
und beliebigem Punkt steht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand schematisct,er Zeichnurlç,en
nactlstehend ausführlich erläutert.
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Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzip des herkömmlichen Ausgleichsmechanismus,
der eine Zugfeder verwendet, Fig. 2 eine graphische Darstellung des nicht ausgeglichenen
Schwerkraftmoments, Fig. 3 eine Darstellung des Prinzips des erfindungsgemäßen Ausgleichsmechanismus,
Fig. 4 den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen schwerkraftausgleichenden
Federeinheit, Fig. 5 die erfindungsgemäße schwerkraftausgleichende Federeinheit
im Detail, Fig. 6 eine Darstellung zur Erklärung der Einrichtung für die Einstellung
der Länge e der Feder, Fig. 7a und 7b Erläuterungszeichnungen für die Einrichtung
zum Einstellen der Länge t einer Federeinheit, Fig. 8 eine Erläuterungszeichnung
für die Einrichtung zum Einstellen der Federkonstante k, Fig. 9 eine Seitenansicht
eines vielgelenkigen Robcters mit der erfindungsgemäßen schwerkraftausgleichenden
Federeinheit, Fig. 10 eine Rückansicht des Roboters gemäß Fig. 9, Fig. 11 eine Fig.
9 ähnliche Ansicht, die ein weiteres Ånwer,dungsbeispiel der erfindungsgemäßen schwer-Kraftausgleichenderi
Federeinheit zeigt,
Fig. 12 eine Seitenansicht eines weiteren Anwendungsbeispiels,
Fig. 13 eine Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
Fig. 14 ein Blcckdiagramm eines beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 verwendeten
Drehantriebsmechanismus, Fig. 15 eine schematische Schnittansicht des Drehantriebsmechanismus,
Fig. 16 ein Blockdiagramm für eine Abänderung des Drehantriebsmechanismus, Fig.
17 ein Blockdiagramm einer weiteren Abänderung des Drehantriebsmechanismus, Fig.
18 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einem Gegengewicht,
Fig. 19 eine schematische Darstellung einer Parallelverbindung, Fig. 20 eine Teilseitenansicht
eines Gelenkabschnitts mit einem Gegengewicht, und Fig. 21 eine Teilseitenansicht
eines Gelenkabschnitts mit drei Freiheitsgraden.
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Fig. 3 zeigt zur Erklärung des Funkticnsprinzlps ein schematisches
Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Schwerkraftausgleichsmeohanismus 3
(nachstehend als Federeinheit bezeichnet) für einen um einen Drehpunk
B
drehbaren Auslenkarm dargestellt ist. Die Federeinheit 3 ist, wie genauer in Fig.
4 dargestellt, ähnlich einem hydraulischen Zylinder aufgebaut und umfaßt ein zylindrisches
Gehäuse 31 mit einer darin befindlichen auf Druck belasteten Feder 32, eine bewegliche
Stange 33, deren eines Ende aus dem Gehäuse 31 vorsteht, sowie eine feste Stange
34, die an der anderen Außenseite des Gehäuses befestigt ist. Die Druckfeder 32
ist zwischen einem Abdeckelement 31a, das die eine Endfläche des Gehäuses 31 bildet,
und einem flanschartigen Abschnitt 33a am inneren Ende der beweglichen Stange 33
eingesetzt und getragen. Ein Verbindungsabschnitt 35 der festen Stange entspricht
dem Punkt C, der in einem Abstand a senkrecht über dem Drehpunkt B liegt, und ein
Verbindungsabschnitt 36 der beweglichen Stange entspricht Punkt A des Auslenkarms.
Diese Verbindungsabschnitte 35 und 36 sind an den Punkten C bzw. A relativ zum Auslenkarm
befestigt, der sich in der Anfangsstellung gemäß Fig.
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3 befindet. Die Entfernung AC zwischen den Verbindungsabschnitten
35 und 36 beträgt in dieser Ausgangsstellung e, das einen bestimmten Wert hat. Bei
diesem Abstand e weist die Druckfeder die Länge e auf.
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5 Die Federkonstante der Druckfeder 32 (die durch ein nachstehend
ausführlich beschriebenes Verfahren bestimmt wird), ist entsprechend der cbigen
theoretischen Formel zu k = W/a gewählt. Andererseits ist die ungespannte Lanye
L zu L = e + e5 bestimmt. Die Art und Weise, durch die volkommener ewichtsausglelot
des Auslenkarms auf grund der Federeinheit gemäß der oben beschriebenen Anordnung
erreicht wird, wird nachstehend anhand von Fig. 3 beschrieben.
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Wird der Arm 1 im Gegenuhrzeigersinn aus der Anfangsstellung gemäß
Fig. 3 geschwenkt, vergrößert sich die Entfernung
AC um g und
beträgt nun ex, und die Druckfeder wird um ##s zusammengedrückt und hat nun eine
Länge #sx. In diesem Beispiel beträgt die Zugkraft Fx. die durch den Schwerkraftausgleichsmeohanismus
3 am Punkt A des Arms angreift: F = (L - #sx ). k = {(# + #s) -(ls-##s))}. k {(Q
+ ts) ~ (ts ~ Ats)3 k = (# + ##s ). k ...... (7) 5 Da die Stangen 33 und 34 starr
sind und keine Elastizität aufweisen gilt = = es (8) Mit Gleichung 8 folgt aus Gleichung
7 = = (Q + EQ) k = und somit F Fx = k = w x a wodurch die Bedingung für vollkommenen
Gewlchtsausgleich erfüllt ist. Anders ausgedrückt: Der Auslenkarm 1 kann unabhängig
von seinem Neigungswlnkel 0 in beliebiger PosItion im Gleichgewicht gehalten werden,
sc daß es möglich wird, den Arm fast chne äußere KrafteinwirKung in jeder beliebigen
Pcsiticn anzuhalten oder zu bewegen.
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Der Aufbau und wesentliche Bauteile der Federeinheit
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sind im einzelnen vergrößert und schematisch in Fig.
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5 dargestellt. Die bewegliche Stange 33 erstreckt sich durch eine
Bohrung 37 im Abdeckelement 31a und wird durch ein Lager 38 getragen, das am Innenrand
der Bohrung vorgesehen ist. Die Druckfeder 32 ist zwischen einem Absatz 31b auf
der Rückseite des Abdeckelements 31a und einem Ansatz 33b am Flanschabschnitt 33a
eingesetzt und getragen. Das Gehäuse 31, das als Aufwickeltrommel für die Druckfeder
32 dient, hat im Schnitt rechtwinkelige Gestalt. Genauer: Es ist aus vier, an ihren
Seiten zusammengebauten Platten aufgebaut, wobei Abdeckelemente 31a und 31c an seinen
gegenüberliegenden Enden angebracht und durch Befestigungsmuttern an gegenüberliegenden
Enden von Gewindestangen 39 befestigt sind, die durch die entsprechenden Abdeckelemente
31a und 31c hindurchgehen.
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Die feste Stange 34 mit dem Verbindungsabschnitt 35 ist in das Abdeckelement
31c eingeschraubt und durch eine Kcntermutter befestigt. Der Verbindungsabschnitt
36 ist an das vordere Ende der beweglichen Stange 33 angeschraubt und ebenfalls
durch eine Kontermutter befestigt. Beide Verbindungsabschnitte haben Öffnungen 40
und 41 zur Aufnahme von Schaftabschnitten derjenigen Teile, an denen sie angebracht
werden, wobei in die Öffnungen Buchsen 40a bzw. 41a eingepaßt sind. Falls gewünscht,
kann das Gehäuse anstelle rechtwinkeliger Fcrm im Schnitt auch als kreisförmiger
Zylinder ausgebildet sein.
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Für die Konstrukticn der Federeinheit 3 ist es erfordersich, deren
Eigenschaften in Abhängigkeit der Art des Auslenkarms zu verändern, wobei die jeweiligen
Federkcnstanten auf folgende Weise bestimmt werden. (1) Für die Bestimmung der Konstante
k: Die Last W wird aus einer Gewiohtsberechnung erhalten und der Abstand
a
ist durch den Systemaufbau gegeben. Die Konstante k bestimmt sich zu W/a (kp/mm).
Die Einbau- bzw. Bezugslänge e der Federeinheit 3 ist durch den Arm bestimmt und
zwischen dem Minimumwert bei O = 900 und dem Maximumwert in Abhängigkeit des Bewegungsbereichs
e des Arms festgesetzt. (2) Aus der Federkonstante k bestimmen sich die Abmessungen
der Feder, einschließlich des Drahtdurchmessers d(mm)'des Federdurchmessers D (mm)
sowie der Anzahl der Windungen N. Da jedoch die Beträge von d, D und N nicht einfach
durch eine bestimmte Konstante k bestimmt sind, werden vom Gesichtspunkt der Kcnstrukticn
aus geeignete Federn ausgewählt. (3) Die Länge der vollkommen zusammengedrückten
Feder ist insofern bestimmt, da sie kleiner als die Einbaulänge es der Feder sein
muß.
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(4) Die Länge L der ungespannten Feder bestimmt sich zu L = e + d
wobei die Länge (e + gs) baulich in allen Fällen einen konstanten Wert annimmt.
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Die Einstellung der Federeinheit 3 geht wie folgt vor sich. Bei der
praktischen Herstellung der oben beschriebenen Federeinheit ergeben sich durch den
Herstellprozeß bedingte Fehlerabweichungen von den thecretischen Berechnungen. Genauer
ausgedrückt: Bezüglich der Einbaulänge der Feder und dem Abstand a zwischen Drehpunkt
und Einbaulage der Federeinheit beträgt der aus der Herstellung bedingte Fehler
weniger als 0,1 %. Bezüglich der Last W ist der Fehler im Fall maschinell hergestellter
Teile fast 0, aber es ist erforderlich, im Fall von Gußteilen mit nicht weiter bearbeiteter
Gußcberflåche einen Fehler von einigen Prozent mit einzubeziehen. Bezüglich der
Spannkraft F ist es notwendig, Änderungen der freien Länge L ebenso wie Änderungen
der Federkonstante k aufgrund verschiedener Federdurohmesser D und Federdrahtdurchmesser
d in Betracht zu ziehen. Für diese Abweichungen muß ebenfalls ein Fehler von einigen
Prozent angesetzt werden.
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Nachstehend sind drei beispielhafte Einrichtungen für die Feinabstimmung
beschrieben.
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Die erste Einrichtung dient zur Einstellung der Federlänge e5 und
besteht, wie in Fig. 6 gezeigt, aus einem am inneren Endabschnitt der beweglichen
Stange 33 ausgebildeten Gewindeabschnitt 33c sowie einem einem flanschförmigen,
mit Innengewinde versehenem Federsitz 33d, der auf den Gewindeabschnitt 33c aufgeschraubt
ist. Durch diese Anordnung kann durch Drehen des Federsitzes 33d die Federlänge
e5 verändert und somit die Spannkraft F eingestellt werden, ohne die Einbaulänge
der Federeinheit 3 abzuändern.
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Die zweite Einrichtung dient zum Ausgleich von Abweichungen im Verhältnis
F/e bzw. der Federkonstante k, indem der Abstand a eingestellt wird. Genauer: Wie
in Fig.
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7a und 7b, die schematische Teilansichten des unteren Anbauabschnitts
der Federeinheit 3 zeigen, dargestellt, ist die feste Stange 34 drehbar auf einer
Achse 52 mit einem Flanschansatz 51 getragen, der fest durch eine Anzahl von Schrauben
53 befestigt ist. Die im Flanschansatz 51 zur Aufnahme der Schrauben 53 vorgesehenen
Öffnungen sind in senkrechter Richtung verlängerte Schlitze 54, die somit eine Einstellung
des Abstands a gestatten.
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Vorzugsweise ist das obere Ende der feststehenden Platte 23a in der
Fcrm eines umgekehrten L's gebogen, wobei im umgebogenen Abschnitt eine Einstellschraube
55 sitzt, wodurch der Flanschansatz definiert zur Einstellung des Abstands a entlang
der Fläche der feststehenden Platte 23a verschoben werden kann. Diese Anordnung
hat den Vcrteil, daß Feinstabstimmung möglich ist. Gewöhnlich genügen für den Bewegungsbereich
zur Einstellung einige Prozent des vorgegebenen Abstands a, so z.B. +5 bis + 10
mm für a = 200 mm.
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Die dritte Einrichtung dient zur Einstellung der Federkonstante k,
wobei deren wesentliche Bauteile im Schnitt in Fig. 8 dargestellt sind. Sie umfaßt
ein zylindrisches Element 56, das am inneren Ende der beweglichen Stange 33 vorgesehen
und auf der Außenseite mit Gewindegängen versehen ist, die mit der Innenform der
Druckfeder 32 Ubereinstimmen und somit die bewegliche Stange 33 in gewindemäßigem
Eingriff mit der Druckfeder 32 halten.
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Wir die bewegliche Stange 33 in Pfeilrichtung gedreht, wandert das
zylindrische Element 56 aus der Stellung gemäß Fig. 8 nach links. Hierdurch wird
die Anzahl der Windungen der Druckfeder 32, die zwischen dem Abdeckelement 31a des
Gehäuses 31 und dem Stangenende 57 liegen, verringert. Folglich nimmt die Federkonstante
k, die proportional zur Anzahl der Windungen ist, zu. Durch Drehung der beweglichen
Stange in die andere Richtung wird die Federkonstante k verringert. Natürlich können
je nach Gegebenheit die oben erwähnten Einrichtungen für die Feinabstimmung einzeln
oder in geeigneter Kcmbination verwendet werden.
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Die oben beschriebene Federeinheit 3 ist insbesondere zum Gewichtsausgleich
des Dreharms eines vielgelenklgen Roboters geeignet, wie in den folgenden Anwendungsbeispielen
dargestellt ist.
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Fig. 9 zeigt in Seitenansicht die erfindungsgemäße Gewichtsausgleiohsvorrichtung
bei einem vielgelenkigen Roboter 20 mit einem im Parallelogramm angeordneten Verbindungsmechanismus.
Der Roboter 20 umfaßt einen Ständer 22, eine Drehscheibe 23, einen ersten Arm 24,
einen zwei ten Arm 25, einen Gelenkabsohnitt 26, eine obere Armverbindung 27, eine
Parallelverbindung 28 für den ersten Arm 24 und eine Parallelverbindung 29 für den
zweiten Arm 25. Der Roboter 20 ist mit mehreren Mctoren M, für
jede
Achse einen, versehen; z.B. treibt ein Motor M2 den ersten Arm 24 durch Betätigung
eines Hebels der parallelen Verbindung an, wodurch ein am ersten Arm 24 befestigter
Hebel durch die parallele Verbindung 28 für diesen Arm betätigt wird. Der Motor
M3 für den zweiten Arm ist auf der dem Motor M2 abgewandten Seite (d.h.
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auf der Rückseite der Figur) angebracht und treibt den zweiten Arm
25 durch Betätigung eines Hebels einer parallelen Verbindung an und bewegt die obere
Armverbindung 27 einer weiteren Parallelverbindung durch die Parallelverbindung
29 für den zweiten Arm. Die Motoren M4 (und M5 auf der gegenüberliegenden Seite)
sowie M6 sind entsprechend den drei Achsen des Gelenkabschnitts 26 angeordnet. Der
Motor M1 (nicht gezeigt) ist für die Drehscheibe 23 vorgesehen.
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Bei diesem Anwendungsbeispiel für den Roboter des oben beschriebenen
Aufbaus ist die Federeinheit 3, die als Schwerkraftausgleichsvorrichtung dient,
am ersten Arm 24 vorgesehen. Der Verbindungsabschnitt 35 am vorderen Ende der festen
Stange 34 ist am oberen Ende eines sich nach oben erstreckenden festen Rahmens 23a
angebracht.
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der einstückig mit der Drehscheibe 23 ausgebildet ist, während der
Verbindungsabschnitt 36 arr; äußeren Ende der beweglichen Stange 33 am oberen Ende
des ersten Arms 24 angebracht ist, wodurch an dessen oberen Ende konstant eine Spannkraft
angreift.
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Fig. 10 und 11 sind Seiten- und Rückansichten eines weiteren Anwendungsbeispiels,
bei welchem die Federeinheit 3 an der oberen Armverbindung 27 eines vielgelenkigen
Industrieroboters vorgesehen ist. Insbesondere ist die feste Stange 34 der Federeinheit
3 an einer oberen Auskragung 29' der Parallelverbindung 29 des zweiten Arms angebracht,
während ihre bewegliche Stange 33 am Verbin-
dungsabschnitt des
zweiten Arms 25 mit der oberen Verbindung 27 angebracht ist. In diesem Fall ist
der Abstand a entlang einer vertikalen Linie der Abstand zwischen der Welle des
Motors M6 und dem Verbindungsabschnitt 35 der festen Stange 34.
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Wenn die Federeinheit 3 auf diese Weise angebaut ist, hebt sie das
durch das Gewicht der oberen Armverbindung 27 verursachte Moment ebenso wie das
Schwerkraftmoment des ersten Arms 24 auf. Das Gewicht 1 der Federeinheit 3 selbst
hat einen zweiten Effekt: Es wirkt als Gegengewicht des zweiten Arms 25 um dessen
Verbindungspunkt mit dem ersten Arm 24. Vom Standpunkt des Gewichtsausgleichs und
der Auswirkung auf die Konstruktion wird vcrzugsweise ein Paar von Federeinheiten
symmetrisch gemäß Fig. 11 angebaut. Natürlich beträgt dann die Federkonstante k
die Hälfte des vorstehend berechneten Werts.
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Die symmetrische Anordnung eines Paars von Federeinheiten ist auch
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 anwendbar.
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In Abänderung kann die Federeinheit sowohl am ersten Arm 24 als auch
an der oberen Armverbindung 27 angebracht werden, falls gewünscht.
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Fig. 12 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit
einem Paar von Federeinheiten 3 (2 Paare im Falle der symmetrischen Anordnung),
nämlich eine Federeinheit 3a für den ersten und eine Federeinheit 3b für den zweiten
Arm. Die Federeinheit 3a ist auf gleiche Art und Weise wie beim Ausführungsbeispiel
gemäß Fig.
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9 angebaut.
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Der Verbindungsabschnitt 35 der festen Stange 34 der Federeinheit
3b wird drehbar an einem Ende einer drei-
eckigen Platte 42 und
der Verbindungsabschnitt 36 der beweglichen Stange 33 drehbar an der Verbindungsstelle
des zweiten Arms 25 mit dem Gelenkabschnitt 26 getragen.
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Die dreieckförmige Platte 42 wird durch ein Verbindungsglied 43 getragen,
das drehbar mit einem Ende des ersten Arms 24 und festen Rahmens 23a verbunden ist
und sich parallel zum ersten Arm 24 sc erstreckt, daß es bei Drehung des ersten
Arms 24 nicht verkantet wird. Der senkrechte Abstand a für den zweiten Arm 25 ist
der Abstand zwischen dem Verbindungsabschnitt 35 seiner Federeinheit 3b an der dreieckförmigen
Platte 41 und dem Verbindungspunkt des ersten und zweiten Arms 24 bzw. 25. Diese
beiden Punkte werden ständig durch den parallelen Verbindungsmechanismus unabhängig
von den Drehbewegungen des zweiten Arms 25 senkrecht übereinander gehalten.
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Falls die Federeinheit 3 an jedem Arm des Roboters angebracht ist,
wird es möglich, vollkommenen Gewichtsausgleich der jeweiligen Arme während der
Zeit zu erreichen, bei der der Roboter durch direkte Bewegungsführung von außen
programmiert wird.
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Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist die Federeinheit 3
vorzugsweise, falls möglich, im Mittelpunkt der Schwerkraft des Arms angebracht.
Obwohl eine Anordnung des Verbindungsabschnitts 35 der Federeinheit direkt senkrecht
über dem Drehpunkt des Arms am vorteilhaftesten ist, ergeben sich beim tatsächlichen
Betrieb keinerlei Probleme und die der Erfindung gestellte Aufgabe wird vollständig
erfüllt, selbst wenn der Verbindungsabschnitt 35 in geringfügig abweichender Stellung
angebracht ist und nicht exakt direkt senkrecht über dem Drehpunkt 1 legt.
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Zusätzlich zur Federeinheit oder den Einheiten für den
Schwerkraftausgleich
ist der vielgelenkige Industrierobcter vorzugsweise angesichts der einfachen Steuerung
und Geschwindigkeits- sowie Stellungsermittlung mit einem Elektromotor als Antriebsquelle
für die jeweiligen Arme ausgestattet.
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Fig. 13 zeigt einen ähnlichen vielgelenkigen Roboter, wobei die Federeinheit
3 am ersten Arm 24 angebracht ist, um auf die gleiche Art und Weise wie vorstehend
beschrieben dem Schwerkraftmoment entgegenzuwirken, das infolge des Gewichts des
Umlenkabschnitts 26 und des ersten und zweiten Arms 24 bzw. 25 auf das obere Ende
des ersten Arms 24 wirkt. Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Antriebsanordnung
ist in Fig. 14 dargestellt, einschließlich eines Motcrs M, dessen Ausgangswelle
mit einem Untersetzungsgetriebe 41 verbunden ist, einer Kupplung 44 zur lösbaren
Kupplung der Ausgangswelle 42 des Untersetzungsgetriebes 41 mit einem angetriebenen
Teil 43, und einer Impulsverschlüsselungseinrichtung 49, die durch ein Rädergetriebe
46 (in diesem Beispiel bestehend aus zwei Stirnrädern 47 und 48) mit einer Welle
45 an der Ausgangsseite der Kupplung 44 verbunden ist und als Ermlttlungseinrichtung
für die Lage dient.
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Das oben erwähnte Antriebssystem wird nachstehend ausführllch unter
Bezug auf Fig. 15 beschrieben. Die Ausgangswelle 40 eines Gleichstromservcrnctcrs
M ist mit einem koaxialen Untersetzungsgetriebe 41 (z.B. ein Untersetzungsgetriebe
mit Handelsnamen "Harmcnic Driveî', ein Erzeugnis vcn Harmcnic Drive Systems) gekoppet'.
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Dessen Ausgangswelle 42 ist mit der Antriebsseite einer elektromagnetischen
Kupplung 44 verbunden. Das Antriebselement 51 ist mit einer ringförm:gen Ausnehmung
52 zur Aufnahme einer elektromagnetischen Spule 53 versehen,
die
in einem Gehäuse 54 der elektromagnetischen Kupplung 44 befestigt ist. Ein Ausgangselement
55 der elektromagnetischen Kupplung 44 ist mit dem Antriebselement 51 durch Klauenelemente
56 und 57 verbunden, die auf gegenüberliegenden Flächen des Antriebs- bzw. Ausgangselements
51 bzw. 55 vorgesehen sind, und miteinander in Eingriff treten, wenn das Ausgangselement
55 durch die elektromagnetische Spule 53 nach deren Erregung angezogen wird.
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Aufgrund der hierzu erforderlichen axialen Bewegung sitzt das Ausgangselement
55 durch eine Keilverzahnung auf einem Tragelement 58, das mit Schrauben fest an
einer Ausgangsrolle 59 befestigt ist, die die Antriebskraft auf das getriebene Teil
43 und ein Stirnzahnrad 60 über trägt, das die Rotation auf die Impulsverschlüsselungseinrichtung
49 überträgt. Das Stirnzahnrad 60 überträgt zusammen mit einem Stirnrad 63 auf einer
Welle 61 über ein mit dieser koaxiales zwischengeschaltetes Zahnrad 64 das Drehmoment
auf ein Ritzel 66 auf einer Welle 65.
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Diese ist durch eine Kupplung 67 mit einer Welle 68 der Impulsverschlüsselungseinrichtung
49 verbunden. Die Ausgangswelle 42 des Untersetzungsgetriebes 41 ist durch ein Lager
69, die Welle der Ausgangsrolle 59 durch ein Lager 70 und das Ausgangselement 55
der Kupplung 44 durch ein Lager 71 gelagert. Ferner sind ein Gehäuse 72 für das
Untersetzungsgetriebe 41, ein Gehäuse 73 zur Lagerung der Rclle 59 sowie ein Tachogenerator
80 dargestellt, der als Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung dient und direkt
mit einer Welle verbunden ist, die auf einer von der Ausgangswelle 40 des Mctors
M abgewandten Seite angeordnet ist. Mit einem Drehantriebssystem dieser Art ist
es möglich, die Kcnstruktion der Ermittlungseinrichtung (zur Aufnahme des Datensatzes
für die Position, Geschwindigkeit und dergleichen) zu vereinfachen.
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Für den Antrieb des Gelenkabschnitts 26 (Fig. 13) soll ein Antriebssystem
gemäß dem Aufbau in Fig. 15 verwendet werden, das zur Ubertragung der Antriebskraft
durch eine Kette eine Zanntrommel 59 an der Ausgangswelle 45 hat.
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Im Falle eines Antriebssystems für den Arm 24 oder 25 oder die Drehscheibe
23 wird jedoch die Zahnrolle 59 durch eine Welle mit oder ohne einer Hebeleinrichtung
ersetzt. Der Zahnrädersatz, der im oben beschriebenen Antriebssystem zur Ubertragung
der Drehung des Ausgangselements 55 der Kupplung 44 auf die Welle 68 der Impulsverschlüsselungseinrichtung
48 verwendet wird, kann falls gewünscht, durch einen Riemen oder eine Kette ersetzt
werden. Obwohl die Drehzahl der Rclle 59 durch das Übertragungsgetriebe 60, 63 und
64 in der Konstruktion gemäß Fig. 15 um mehrmals das zehnfache erhöht ist, soll
die Leistungsübertragungseinrichtung vorzugsweise ein Verhältnis zur Geschwindigkeitserhöhung
aufweisen, das mit dem Untersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebe 41 vergleichbar
ist. Falls gewünscht, kann die Impulsverschlüsselungseinrichtung 49 durch einen
Auflöser des Typs eines wechselstromerregten Winkel-Detektors bzw.
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eines aktiven Wechselstrom-Winkel-Detektors ersetzt werden. Ferner
kann anstelle der oben beschriebenen elektromagnetischen Zahnkupplun; eine Reibungskupplung
oder eine hydraulische oder eine mit Klebekraft arbeitende Kupplung verwendet werden.
Ebenso ist das Untersetzungsgetriebe nicht auf den koaxialen Typ gemäß Fig. 15 beschränkt
und kann durch ein Untersetzungsgetriebe jeglichen Typs ersetzt werden.
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Die Fig. 16 zeigt ein weiteres Beispiel des Drehantriebsmechanismus,
bei dem der Reihe nach ein Motor M, ein Untersetzungsgetriebe 41, eine Kupplung
44 und ein Lager detektor 49 gekoppelt sind. In diesem Fall ist der koaxiale Lagedetektor
49 hinter der Kupplung 44 an einer
Stelle angeordnet, an der das
Verhältnis für die Geschwindigkeitserhöhung 1 beträgt. Deshalb muß der Lagedetektor
49 ein höheres Auflösungsvermögen als bei der Konstruktion in Fig. 14 haben, dafür
sind jedoch nachteiliege Beeinflussungen, die aus Spiel oder Fehlern in der Übertrag;ungseinrichtung
herrühren, ausgeschlossen. Da ein Detektor verhältnismäßig hchen Auflösungsvermögens
verwendet wird, ist es möglich, eine größere Genauigkeit der Lageermittlung verglichen
zur Konstruktion gemäß Fig. 14 zu gewährleisten.
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Fig. 17 zeigt schematisch eine weitere Anordnung des Antriebssystems,
wobei ein Motor M, ein Untersetzungsgetriebe 41 und eine Kupplung 44 in der genannten
Reihenfolge miteinander verbunden sind und das zum Antrieb eines Arms 43' eines
Roboters durch die Ausgangswelle 45a der Kupplung 44 geeignet ist. Die Lagedaten
des Arms 43' werden von einem Lagedetektcr 49 aufgenommen, der durch einen Zahnradsatz
46' mit dem Endabschnitt 45b der Ausgangswelle 45a gekoppelt ist, die durch den
Arm 43' hindurchgeht.
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Bei den oben beschriebenen Antriebsmechanismen ist der iviotor M im
allgemeinen ein Drehmotor, wobei ein elektrischer Motor hydraulischen und pneumatischen
vorgezogen ist. Zusätzlich zum Schwerkraftausgleichsmechanismus ist der Antriebsteil
für einen Antrieb durch eine drehende Einrichtung geeignet, die durch eine auf der
Ausgangsseite eines Untersetzungsgetriebes angeordnete Kupplung lösbar ist, so daß
Programmierung durch direkte Bewegungseingabe des Roboters selbst in dem Fall möglich
wird, wenn ein Elektromotor oder eine andere drehende Antriebsquelle als Antrieosmechanlsmus
verwendet wird.
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Da die Kupplung hinter dem Untersetzungsgetriebe angeordnet ist, ist
es bei gelöster Kupplung möglich, dessen
Verlustdrehmomente zu
vermeiden. Der Lagedetektor ist in der letzten Stufe des Antriebsmechanismus mit
der Ausgangswelle verbunden, so daß weder Spiel noch Torsionsverdrehungen noch Kupplungsschlupt
Fehler bei der Lageermittlung und im playback-Betrieb verursachen können.
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Die Fig. 18 bis 20 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei welchem zusätzlich zur Federeinheit für den Schwerkraft ausgleich ein Gegengewicht
zum Ausgleich von Veränderungen des Schwerkraftmoments des zweiten Arms vorgesehen
ist, die durch Veränderungen der Lage des Gelenkabschnitts hervcrgerufen werden1
der am vcrderen Ende des zweiten Arms angebracht ist. Gemäß Fig. 19 ist ein kugelförmiges
Gegengewicht 201 an einem Ende einer Stange fest mit der Drehachse 113 des zweiten
Arms 105 verbunden, die Drehachse des Gelenkabschnitts und der zweite Arm sind durch
eine parallele Verbindung 202 verbunden, die im zweiten Arm 105 vorgesehen ist und
dadurch die Winkel 61 und e2 gleichstellt. Genauer ausgedrückt: Wie die schematische
Darstellung von Fig.
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19 zeigt, sind Zahnkränze 203 und 204 koaxial an den Drehachsen 113
bzw. 114 des zweiten Arms 105 bzw. des Gelenkabschnitts 106 am vorderen Fm.de des
zweiten Anns angebracht, und eine Kette 205 geht um die Zahnkränze 203 und 204 und
bildet dadurch eine Verbindung zwischen den Drehachsen 113 und 114. Der Stangenabschnitt
des Gegengewichts 201 ist an der Drehachse 113 so angebracht, daß die Linie 11,
die durch den Schwerpunkt G2 des gesamten Gelenkabschnitts 106 und die Drehachse
114 geht, parallel zur Linie 12 gehalten wird, die durch den Schwerpunkt G3 des
Gegengewichts 201 und die Drehachse 113 geht. Zwischen der Linie 11 und einer vertikal
nach unten gerichteten Linie durch die Achse 114 ist ein Drehwinkel und zwischen
der Linie 12 und einer vertikal nach oben
gerichteten Linie durch
die Achse 113 ist ein Drehwinkel 62 gebildet. Falls der Gelenkabsohnitt 106 durch
eine Antriebsquelle (nicht gezeigt) oder durch Handbetätigung (durch Drehung der
Achse 114) bewegt wird, wird die resultierende Änderung bezüglich des Winkels 1
durch den Zahnkranz 204, die Kette 205 und den Zahnkranz 203 übertragen und verändert
dadurch den Winkel 62 im gleichen Maß. Folglich wird die durch eine Änderung der
Lage des Gelenkabschnitts 106 verursachte Änderung des Schwerkraftmcments des zweiten
Arms durch die entsprechende Drehung des Gegengewichts 201 ausgeglichen; dies ist
jedoch nur anwendbar, wenn der Geienkabschnitt 106 lediglich einen Freiheitsgrad
hat, z.B. die Drehung um die Achse 114. Falls der Gelenkabschnitt zwei Freiheitsgrade
hat, z.B. zusätzlich eine Drehung um eine angeschweißte Achse 206 gemäß Fig. 20,
wird es schwierig, das Moment, das durch Drehung um diese Achse verursacht wird,
vollkommen mit einer Änderung des Winkels 91 auszugleichen.
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Dieses Problem kann durch Anbringen eines zweiten Gegengewichtes 207
(W4) in geeigneter Stellung auf der gegenüberliegenden Seite des Schwerpunkts G3
relativ zur axialen Linie 13 der Achse 206 gelöst werden. Der Angriffspunkt der
resultierenden Kraft W liegt dann auf der axialen Linie 1 und die Einflüsse er Drehung
um die Achse 206 auf das Schwerkraftmoment des zweiten Arms können sc ausgeschlossen
werden.
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Wenn in cåhnlicher Weise der Gelenkabsohnitt 106 zwei Freiheitsgrade
emäß Fi. 21 hat, wird das GegengewIcht sc angebracEat, daß der Angriffspunkt der
resultierenden Kraft auf der axialen Linie 13 zu liegen kommt.
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Obwohl eine flexible Parallelverbindung 202 zur Verknüpfung der Achsen
113 und 114 beim verstehenden Ausführungsbeispiel verwendet ist, kann diese durch
eine starre
stangenartige Verbindung ersetzt werden und darüberhinaus
kann mehr als eine parallele Verbindungsanordnung verwendet werden, falls gewünscht.
Im letzteren Fall ist es möglich, das Gegengewicht zu einer weiter unten liegenden
Stellung am Fuß des Roboterständers zu verschieben, wcdurch der Bewegungsbereich
zusätzlich zu einer Trägheitskraftverringerung erweitert ist.
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Es ist erwähnenswert, daß das oben beschriebene Kcnzept zum Ausgleich
des Schwerkraftmoments durch ein Gegengewicht nicht nur am Gelenkabschnitt, sondern
auch beim Gewichtsausgleich des zweiten Arms angewendet werden kann. Z.B. kann an
der Drehachse 113 ein Gegengewicht vorgesehen sein, das das durch das Gewicht des
zweiten Arms selbst verursachte Schwerkraftmcment ausgleicht oder ein Gegengewicht,
das annähernd das Restmoment ausgleicht, das durch den gewichtsausgleichenden Federmechanismus
nicht aufgehoben werden kann. Selbstverständlich kann im vorstehenden Fall der ausgleichende
Federmechanismus weggelassen werden.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich hervorgeht, kann erfindungsgemäß
ein Gelenkarm eines vielgeleneckigen Roboters durch die Vedereinheit einen vollständigen
Gewichtsausglelch erfahren und durch Drehungen eines Gelenkabschnitts verursachte
Änderungen im Schwerkraftmoment eines zweiten Arms können durch ein Gegengewicht
oder eine geeignete Anzahl von Gegengewichten ausgeglierzen werden. Dies kann zusammen
mit dem entkuppelbaren Drehantrieb bei der Programmierung des Roboters durch direkte
Bewegungsengabe die Arbeitsbelastung der Bedlenungsperson beträchtlich vermindern.
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Offenbart ist eine Vorrichtung zum Schwerkraftausgleich des Schwerkraftmoments
eines Auslenkarms, die zwischen einem unter dem Abstand a direkt senkrecht über
einem Drehpunkt des Armes liegenden festen Punkt und einem beliebigen Punkt auf
dem Arm selbst eingebaut ist, und folgendes Bauteil umfaßt: Eine Druckfeder mit
einer Federkonstante k, deren Wert der Last W am beliebigen Punkt geteilt durch
den Abstand a entspricht, deren ungespannte Länge der Summe der Längen e zwischen
dem festen und dem beliebigen Punkt und der anfänglich festgesetzten Länge e der
zusammenge-5 drückten Feder entspricht und die in der Lage ist, eine das Gleichgewicht
haltende Spannkraft aufzubringen, die im Verhältnis zum Abstand zwischen festem
und beliebigem Punkt steht.