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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Antreiben eines sich selbst bewegenden Roboters.
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9 veranschaulicht
eine konventionelle Antriebsvorrichtung, die bei einem Roboter verwendet
wird. Die Antriebsvorrichtung schließt einen Antriebsschaft 2 ein,
der an seinen beiden Enden drehbar an Trägerelementen 1a festgelegt
ist, die an einer Bodenfläche
eines Körpers 1 des
Roboters befestigt sind. Ein Antriebsrad 4 ist fest an
dem Antriebsschaft 2 montiert. An einer Seite des Antriebsrades 4 ist auch
ein erstes Zahnrad 3 auf dem Antriebsschaft 2 fest
montiert. Das erste Zahnrad 3 nimmt von einem Antriebsmotor 5 eine
Antriebskraft auf, um so das Antriebsrad 4 zu drehen.
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Mit anderen Worten, die Antriebskraft
vom Antriebsmotor 5 wird zu einer Schnecke 5a übertragen,
die einstückig
mit einem Drehschaft des Antriebsmotors 5 ausgebildet ist, wodurch
die Schnecke 5a im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht
wird. Durch die Drehung der Schnecke 5a wird ein Schneckenrad 7 gedreht,
das mit der Schnecke 5a in Eingriff steht. Die Drehung
des Schneckenrades 7 bewirkt eine Drehung eines zweiten
Zahnrades 6, das konzentrisch an dem Schneckenrad 7 befestigt
ist und mit dem ersten Zahnrad 3 in Eingriff steht. Demzufolge
dreht sich das erste Zahnrad 3, so daß das Antriebsrad 4 sich
dreht, um den Roboter vorwärts
oder rückwärts zu bewegen.
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Da eine Vielzahl von Antriebsrädern 4 an
der Bodenfläche
eines Roboterkörpers 10 vorgesehen ist,
benötigt
solch eine konventionelle Roboterantriebsvorrichtung tatsächlich individuelle
Antriebseinheiten zum Antreiben der Antriebsräder 4. Demzufolge
besteht bei der konventionellen Roboterantriebsvorrichtung wegen
deren komplexer Gesamtkonstruktion und deren komplizierter Montage
das Problem hoher Herstellungskosten.
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Wenn eine Überbelastung, beispielsweise ein
Stoß von
außen
auf die Roboterantriebsvorrichtung einwirkt, wird diese direkt auf
den Antriebsmotor übertragen.
Demzufolge kann der Antriebsmotor häufig defekt sein. In verschiedenen
Fällen
können die
Schnecke und das Schneckenrad beschädigt werden, wodurch der Roboter
arbeitsuntauglich wird.
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In der
DE 31 35 117 C2 wird ein Roboterfahrzeug
zum Transport von Werkstücken
zwischen verschiedenen Stationen einer Produktionslinie vorgeschlagen.
Eine Antriebsvorrichtung des Roboterfahrzeugs weist zwei angetriebenen
Räder und
zwei Hilfsräder
auf, mit denen das Fahrzeug vorwärts/rückwärts sowie
auf Kurvenbahnen verfahrbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Antriebsvorrichtung für
einen Roboter zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist,
wodurch ein einfaches Zusammenbauen derselben ermöglicht wird
und die Herstellungskosten reduziert werden.
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Ferner soll die Antriebsvorrichtung
gegenüber
einer Überbelastung,
beispielsweise einen von außen
zugeführten
Stoß unempfindlich
sein und einen korrekten Betrieb ermöglichen.
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Die vorstehende Aufgabe wird durch
die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Roboterantriebsvorrichtung steuert
ein einzelnes Antriebsrad, so daß der Roboter sich vorwärts und
rückwärts bewegen
und seine Richtung nach rechts und links ändern kann. Demzufolge kann die
Roboterantriebsvorrichtung den Roboter genau antreiben und weist
dazu noch einen einfachen Aufbau auf. Der einfache Aufbau macht
es möglich,
eine leichte Montagearbeit vorzusehen, und bewirkt deshalb eine
Verbesserung der Arbeitseffektivität. Demzufolge können die
Herstellungskosten beträchtlich vermindert
werden.
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Verschiedene Leistungsuntersuchungen
für die
Antriebsvorrichtung können
unter der Bedingung ausgeführt
werden, daß die
Vorrichtung in einer einzelnen Einrichtung eingebaut ist. Demzufolge
können
die Untersuchungen der Gesamteigenschaften leicht durchgeführt werden.
Eine Kraftübertragung wird
mit Hilfe der Verwendung eines federgespannten Kupplungsmechanismus
bewirkt. Wenn eine Überbelastung
von außen
auf die Antriebsvorrichtung wirkt, schließt der Kupplungsmechanismus
eine Kraftübertragung
aufgrund der Feder aus, die wegen der übermäßig zugeführten Belastung zusammengedrückt wird.
Es ist möglich,
eine Betriebsstörung
aufgrund einer Beschädigung
von Übertragungseinrichtungen
zu verhindern und deshalb die Lebensdauer zu verlängern.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1A und 1B eine Seitenansicht bzw.
eine Bodenansicht eines Roboters;
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2 eine
auseinandergezogene, perspektivische Ansicht einer Roboterantriebsvorrichtung;
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3 eine
Schnittansicht der Roboterantriebsvorrichtung;
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4 eine
Querschnittsansicht längs
der Linie A-A' in 3;
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5 eine
auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines verwendeten Antriebsrades;
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6 eine
Schnittansicht des Antriebsrades im zusammengebauten Zustand;
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7A bis 7C Bodenansichten, die einen Anfangsbetrieb
des Roboters mit der Roboterantriebsvorrichtung erläutern;
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8A bis 8D Bodenansichten, die einen Richtungswechsel
des Roboters erläutern,
bei dem die Roboterantriebsvorrichtung verwendet wird; und
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9 eine
Teilschnittansicht einer konventionellen Vorrichtung zum Antreiben
eines Roboters.
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Die 1A und 1B stellen einen Roboter
mit einem Roboterkörper 10 dar.
Ein Antriebsrad 11 ist mit Hilfe eines Schaftes 11a an
der Bodenfläche
des Roboterkörpers 10 montiert.
Das Antriebsrad 11 kann aufgrund von Betriebsabläufen einer
Richtungsänderungseinheit 15 und
einer Antriebseinheit 16 (in den 1A und 1B nicht
dargestellt), die nachfolgend beschrieben werden, seine Richtung ändern und
vorwärts
und rückwärts angetrieben
werden. Vor dem Antriebsrad 11 sind zwei Gleitrollen 12 mittels
an dem Roboterkörper 10 angebrachten
Trägern
und entsprechend an den Trägern
angebrachten Schaften drehbar am Roboterkörper 10 befestigt.
Bei einer Richtungsänderung
und den Vorwärts-
und Rückwärtsantrieb
des Antriebsrades 11 führen
die Gleitrollen 12 den gleichen Betriebsablauf wie das
Antriebsrad 11 aus.
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Wie dies in den 2 bis 4 dargestellt
ist, ist eine Grundplatte 13 an der Bodenfläche des
Roboterkörpers 10 befestigt.
Ein Abdeckelement 14 ist von unten an der Grundplatte 13 drehbar
befestigt. Dieses Abdeckelement 14 lagert drehbar das Antriebsrad 11 mit
Hilfe des Schaftes 11a, der an dem Abdeckelement 14 befestigt
ist. Auf der Grundplatte 13 ist die Richtungsänderungseinheit 15 angeordnet, die
dazu dient, die Richtung des Antriebsrades 11 zu verändern. Neben
dem Abdeckelement 14 ist die Antriebseinheit 16 angeordnet,
die dazu dient, das Antriebsrad 11 vorwärts und rückwärts anzutreiben. Der Schaft 11a wird
mit Hilfe von Lagerträgern 25 und 26 an
dem Abdeckelement 14 abgestützt.
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Die Grundplatte 13 stellt
ein abgestuftes Ringelement mit einer zentralen Öffnung, einem inneren Ringteil
und einem äußerem Ringteil
dar. Das Abdeckelement 14 weist einen Aufbau mit einem
das Antriebsrad 11 aufnehmenden Radverkleidungsteil und
einem kreisförmigen
Plattenteil auf. Das Radverkleidungsteil des Abdeckelements 14 erstreckt
sich über
der zentralen Öffnung
der Grundplatte 13 nach oben. Das Abdeckelement 14 weist
auch eine ringförmige
vertikale Wandung 14a auf, die mit dem inneren Umfangsrand
der Grundplatte 13 in Berührung steht, der die zentrale Öffnung definiert,
so daß das
Abdeckelement 14 sich über
der Grundplatte 13 drehen kann.
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Ein Kugelkäfig 18 mit einer Vielzahl
von beabstandeten Kugeln 18a ist in einen Zwischenraum eingepaßt, der
zwischen der unteren Fläche
des inneren Ringteils der Grundplatte 13 und der oberen Fläche des
kreisförmigen
Plattenteils des Abdeckelements 14 festgelegt ist. Das
Abdeckelement 14 weist an seinem kreisförmigen Plattenteil eine Vielzahl
von Vorsprüngen 14b auf,
an denen mit Hilfe eines Satzes von Schrauben 17 ein Zahnkranz 19 an
dem Abdeckelement 14 befestigt ist. Der Zahnkranz 19 dreht sich
integral mit dem Abdeckelement 14 und weist eine Vielzahl
von Zähnen 19a an
seiner Außenumfangsfläche auf.
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Ein Paar Führungsnuten 13c und 14c sind an
der unteren Fläche
des inneren Ringteils der Grundplatte 13 bzw. der oberen
Fläche
des kreisförmigen
Plattenteils des Abdeckelements 14 ausgebildet. Die Führungsnuten 13c und 14c dienen
dazu, die Kugeln 18a beim Rollen zu führen und eine Entfernung der
Kugeln 18a zu verhindern.
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Ein Magnet 21 ist an dem
Zahnkranz 19 befestigt. Zum Erfassen einer magnetischen
Feldlinie, die von dem Magnet 21 erzeugt wird, ist ein
Positionssensor 24 mittels eines Satzes Schrauben an der Grundplatte 13 befestigt.
Der Positionssensor 24 erfaßt den Drehwinkel des Antriebsrades 11 durch
Erfassen der magnetischen Feldlinie des Magneten 21.
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Die Richtungsänderungseinheit 15 weist
einen Gleichstrommotor 151, der sich in normaler und entgegengesetzter
Richtung dreht, und eine Schnecke 153 auf, die an dem Motorschaft
des Gleichstrommotors 151 befestigt ist. Um den Gleichstrommotor 151 abzustützen, ist
ein Paar Träger 157 mit Hilfe
eines Satzes Schrauben 156 entsprechend an einem Paar Vorsprüngen 155 befestigt,
die von einem Seitenteil der Grundplatte 13 abstehen. Die Richtungsänderungseinheit 15 weist
ferner ein Schneckenrad 158 auf, das mit der sich entsprechend
der Drehung des Gleichstrommotors 151 drehenden Schnecke 153 in
Eingriff steht. Das Schneckenrad 158 weist ein kleineres
Zahnrad 158a auf, das mit den Zähnen 19a des Zahnkranzes 19 in Eingriff
steht, um so die Richtung des Antriebsrades 11 zu verändern. Ein
Magnet 159 ist an einem von dem Gleichstrommotor 151 entfernten
Ende der Schnecke 153 befestigt.
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Ein Umdrehungssensor 22 ist
mittels eines Satzes Schrauben 23 an der Grundplatte 13 befestigt,
so daß er
in einem angemessenen Abstand von dem an der Schnecke 153 befestigten
Magneten 159 räumlich
getrennt angebracht ist. Der Umdrehungssensor 22 erfaßt eine
magnetische Feldlinie, die von dem Magneten 159 erzeugt
wird, und deshalb Drehungen der Schnecke 153 entsprechend
dem Antrieb des Gleichstrommotors 151 und sendet ein die Drehungen
der Schnecke 153 anzeigendes Signal zu einer nicht dargestellten
Steuereinrichtung, um den Drehwinkel des Antriebsrades 11 zu
erfassen.
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Die Antriebseinheit 16,
die das Antriebsrad 11 im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn dreht,
um den Roboter vorwärts
bzw. rückwärts zu bewegen,
weist einen sich in normaler bzw. entgegengesetzter Richtung drehenden
Gleichstrommotor 161 und eine Schnecke 162 auf,
die fest auf einem Motorschaft des Gleichstrommotors 161 angebracht ist.
Um den Gleichstrommotor 161 abzustützen, ist ein Träger 165 mit
Hilfe eines Satzes Schrauben 163 an einem Seitenteil des
Abdeckelements 14 befestigt. Die Antriebseinheit 16 weist
ferner ein Schneckenrad 167 auf, das mit der Schnecke 162 in
Eingriff steht, die sich entsprechend der Drehung des Gleichstrommotors 161 dreht.
Das Schneckenrad 167 weist ein kleineres Zahnrad 167a auf,
das antreibend mit dem Schaft 11a des Antriebsrades 11 verbunden
ist, um so das Antriebsrad 11 in normaler bzw. entgegengesetzter
Richtung anzutreiben.
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Der das Antriebsrad 11 lagernde
Schaft 11a wird an einem seiner Enden mittels des Trägers 25, der
mit Hilfe eines Satzes Schrauben 25a an der oberen Fläche des
kreisförmigen Plattenteils
des Abdeckelements 14 befestigt ist, und an seinem anderen
Ende durch den Träger 26 gelagert,
der mittels eines Satzes Schrauben 26a an der unteren Fläche des
kreisförmigen
Plattenteils des Abdeckelements 14 befestigt ist.
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Ein Deckel 32 ist an der
unteren Fläche
des Abdeckelements 14 mittels eines Satzes Schrauben 33 befestigt
und mit einer Öffnung 32a zum
teilweisen Aufnehmen des Antriebsrades 11 ausgestattet.
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Wie dies in den 3, 5 und 6 dargestellt ist, weist
das Antriebsrad 11 eine erste Seitenplatte 111 mit
einer inneren Nutenwelle 111a und eine zweite Seitenplatte 112 auf,
die der ersten Seitenplatte 111 stirnseitig gegenübersteht
und mit der ersten Seitenplatte 111 mittels eines Satzes
Schrauben 115 fest gekoppelt ist. Das Antriebsrad 11 weist
ferner einen Gummiring 116 auf, der um beide der Außenumfangsflächen der
ersten und der zweiten Seitenplatte 111 bzw. 112 herum
angebracht ist. Der Gummiring 116 dient zur Erhöhung der
Reibungskraft des Antriebsrades 11.
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Der Schaft 11a erstreckt
sich über
axiale Öffnungen,
die zentral an der ersten und der zweiten Seitenplatte 111 bzw.
112 ausgebildet sind. Ein Zwischengetriebe 118 ist drehbar
in einem zentralen Teil der zweiten Seitenplatte 112, und
zwar außerhalb
der zweiten Seitenplatte 112 eingesetzt. Das Zwischengetriebe 118 steht
mit dem kleineren Zahnrad 167a des Schneckenrades 167 in
Eingriff, welches mit der Schnecke 162 des Gleichstrommotors 161 in
Eingriff steht, um so das Antriebsrad 11 zu drehen. Eine
erste Kupplung 120 ist mit dem Zwischengetriebe 118 keilwellengekoppelt,
um so die Antriebskraft des Gleichstrommotors 161 an das
Antriebsrad 11 zu übertragen.
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Eine zweite Kupplung 121 ist
auf die Keil- bzw. Nutenwelle 111a der ersten Seitenplatte 111 über einen
Keil aufgesetzt. Die zweite Kupplung 121 ist mit Hilfe
einer Feder 122 elastisch gelagert, so daß diese
entlang der Keilwelle 111a gleiten kann. Aufgrund der Feder 122 steht
die zweite Kupplung 121 üblicherweise mit der ersten
Kupplung 120 in Eingriff, um so die Antriebskraft des Gleichstrommotors 161 an
das Antriebsrad 11 zu übertragen.
Wenn der Roboter von außen,
beispielsweise durch einen Stoß, überlastet
wird, wird die Feder 122 zusammengedrückt, wodurch die zweite Kupplung 121 von
der ersten Kupplung 120 weggleiten kann. Demzufolge wird
eine Kraftübertragung über die
Kupplungen 120 und 121 unterbunden.
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Um eine ruhige Drehung des Antriebsrades 11 zu
erzielen, sind zwei Lagerbuchsen 123 und 124 entsprechend
an den beiden Enden des Schaftes 11a vorgesehen. Außerhalb
der Lagerbuchsen 123 und 124 sind Scheiben 126 bzw. 127 um
die entsprechenden beiden Enden des Schaftes 11a herum
aufgesetzt, um so zu verhindern, daß der Schaft 11a von dem
Antriebsrad 11 getrennt wird.
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Nachfolgend wird der Betrieb der
Roboterantriebsvorrichtung beschrieben.
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Falls der Roboter in einem Zustand
betrieben wird, bei dem das Antriebsrad 11 in einer beliebigen Stellung
ausgerichtet ist, wie dies z. B. in 7A dargestellt
ist, wird der Gleichstrommotor 151 der Richtungsänderungseinheit 15 angetrieben,
bis der Magnet 21, der an der Außenumfangsfläche des
Zahnkranzes 19 befestigt ist, auf den Positionssensor 24 ausgerichtet
ist, der an der Grundplatte 13 befestigt ist, wie dies
in 7B dargestellt ist.
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Da der Gleichstrommotor 151 angetrieben wird,
drehen sich die Schnecke 153 und das Schneckenrad 151,
das mit der Schnecke 153 in Eingriff steht. Infolge der
Drehung der Schnecke 158 dreht sich der Zahnkranz 19,
da die Zähne 19a,
die an der Außenumfangsfläche des
Zahnkranzes 19 ausgebildet sind, mit dem kleineren Zahnrad 158a des
Schneckenrades 158 in Eingriff stehen. Demzufolge dreht sich
das Abdeckelement 14, das mit dem Zahnkranz 19 gekoppelt
ist, so daß das
Antriebsrad 11, das an dem Abdeckelement 14 befestigt
ist, bezüglich
der Grundplatte 13 verschwenkt wird.
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Da der Kugelkäfig 18 mit der Vielzahl
Kugeln 18a zwischen die Grundplatte 13 und das
Abdeckelement 14 eingesetzt ist, kann das Abdeckelement 14 und
deshalb das Antriebsrad 11 sich ruhig bezüglich der
Grundplatte 13 drehen. Insbesondere kann sich das Abdeckelement
stoßfrei
ohne Schlingerbewegung drehen, da die Führungsnuten 13c und 14c,
die entsprechend an der unteren Fläche der Grundplatte 13 und
der oberen Fläche
des Abdeckelements 14 ausgebildet sind, die Kugeln 18a führen, wie
dies in 4 dargestellt
ist.
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Wenn der Magnet 21 auf den
Positionssensor 24 ausgerichtet ist, wie dies in 7B dargestellt ist, erfaßt der Positionssensor 24 eine
magnetische Feldlinie vom Magneten 21 und sendet ein Erfassungssignal
zu einer nicht dargestellten Steuereinrichtung. Unter Steuerung
der Steuereinrichtung dreht sich der Gleichstrommotor 151 dann
in umgekehrter Richtung, so daß sich
das Antriebsrad 11 in Gegenrichtung um 90° dreht, um
an einer Bezugsstelle in die richtige Stellung gebracht zu werden,
bei der es sich gerade bewegen kann, wie dies in 7C dargestellt ist.
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Zu diesem Zeitpunkt wird die 90°-Drehung des
Antriebsrades 11 durch den Gleichstrommotor 151 der
Richtungsänderungseinheit 15 mit
Hilfe des Umdrehungssensors 22 erfaßt, der an der Grundplatte 13 angebracht
ist. Das heißt,
der Umdrehungssensor 22 erfaßt eine magnetische Feldlinie,
die von dem Magneten 159 erzeugt wird, der an dem von dem Gleichstrommotor 151 entfernten
Ende der Schnecke 153 angebracht ist, und sendet ein zugehöriges Signal
zu der Steuereinrichtung, die wiederum die 90°-Drehung des Antriebsrades 11 erfaßt.
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Nachdem das Antriebsrad 11 entsprechend des
Betriebes der Richtungsänderungseinheit 15 auf die
Bezugsstellung ausgerichtet ist, kann es sich entsprechend der Antriebseinheit 16 vorwärts und
rückwärts bewegen.
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Mit anderen Worten, sobald der Gleichstrommotor 161 angetrieben
wird, drehen sich die Schnecke 162 und das Schneckenrad 167,
das mit der Schnecke 162 in Eingriff steht. Durch die Drehung der
Schnecke 167 dreht sich das kleinere Zahnrad 167a,
das an dem Schneckenrad 167 befestigt ist, so daß sich das
Zwischengetriebe 118 dreht, das mit dem kleineren Zahnrad 167a in
Eingriff steht. Als Folge dreht sich die erste Kupplung 120,
die mit dem Zwischengetriebe 118 über eine Keilnutverbindung gekoppelt
ist. Durch die Drehung der ersten Kupplung 120 dreht sich
die zweite Kupplung 121, die mit der ersten Kupplung 120 in
Eingriff steht, wodurch sich die Nutenwelle 111a dreht.
Folglich drehen sich die erste und die zweite Seitenplatte 111 bzw.
112, um das Antriebsrad 11 vorwärts oder rückwärts zu bewegen.
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Wenn eine Überbelastung, beispielsweise ein
Stoß,
von außen
auf das Antriebsrad 11 wirkt, gleitet die zweite Kupplung 121 gegen
die Kraft der Feder 122 von der ersten Kupplung 120 weg,
wobei die Feder 122 zusammengedrückt wird. Demzufolge steht
die zweite Kupplung 121 mit der ersten 120 außer Eingriff,
so daß eine Übertragung
der übermäßigen Belastung
zu dem Schneckenrad 167, der Schnecke 162 und
dem Gleichstrommotor 161 über die erste Kupplung 120 ausgeschlossen
ist. Demzufolge befindet sich das Antriebsrad 11 im Leerlauf.
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Da kein Stoß zum Schneckenrad 167 und zum
Gleichstrommotor 161 übertragen
werden kann, ist es möglich,
eine Störung
zu vermeiden, die durch eine Beschädigung von Zahnrädern verursacht
wird.
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Eine Richtungsänderung zum Drehen des Antriebsrades 11 nach
rechts oder links wird durch das Erfassen der Drehungen der Schnecke 153,
die durch den Betrieb des Gleichstrommotors 151 der Richtungsänderungseinheit 15 verursacht
werden, und daraufhin durch Steuern der Drehungen des Gleichstrommotors 151 erzielt,
die auf den erfaßten Drehungen
der Schnecke 153 beruhen. Das heißt, die Drehungen der Schnecke 153 werden
durch den Umdrehungssensor 22 erfaßt, der wiederum ein entsprechendes
Erfassungssignal zu der nicht dargestellten Steuereinrichtung sendet.
Auf der Basis des Erfassungssignals steuert die Steuereinrichtung
die Drehungen des Gleichstrommotors 151. Deshalb kann sich
der Roboterkörper 10 über einen
gewünschten
Winkel drehen, wie dies in den 8A bis 8C dargestellt ist.
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Nachdem eine solche Richtungsänderung aufgrund
des Betriebes der Richtungsänderungseinheit 15 abgeschlossen
ist, wird das Antriebsrad 11 in seiner anfänglichen
Antriebsposition in Stellung gebracht, bei der es sich vorwärts und
rückwärts bewegen
kann, wie dies in 8D dargestellt
ist.