WO2018206311A1 - ROBOTERGLIEDMAßE - Google Patents

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WO2018206311A1
WO2018206311A1 PCT/EP2018/060839 EP2018060839W WO2018206311A1 WO 2018206311 A1 WO2018206311 A1 WO 2018206311A1 EP 2018060839 W EP2018060839 W EP 2018060839W WO 2018206311 A1 WO2018206311 A1 WO 2018206311A1
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WO
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robot
limbs
wire
limb
carbon nanotubes
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PCT/EP2018/060839
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English (en)
French (fr)
Inventor
Achim Neubauer
Thilo Koeder
Witold Pieper
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to US16/606,999 priority patent/US20200130173A1/en
Priority to JP2019561940A priority patent/JP2020519466A/ja
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/104—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with cables, chains or ribbons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/04—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of carbon-silicon compounds, carbon or silicon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0025—Means for supplying energy to the end effector
    • B25J19/0029—Means for supplying energy to the end effector arranged within the different robot elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes

Definitions

  • the present invention relates to a robot limb such as a robot arm or a robot foot. Furthermore, the present invention relates to the use of carbon nanotubes or
  • carbon nanostructure-based conductors as a cable pull and at the same time as an electrical power line, in particular in the robot limb.
  • Aktorikelementen such as a robotic arm forces to implement movements, for example via cables transmitted.
  • electrical lines for power supply of electrical drives or for signal transmission are laid within the system.
  • the wiring is a part of the moving elements, so that the line weight contributes to the moving total weight.
  • the additional weight to be moved limits the travel speed of the robot arm and increases the energy consumption per movement.
  • slip rings are often used. Without use of
  • Slip rings can be damaged by lack of flexibility and robustness or the mobility and rotation of the robot arm is limited. To allow any number of rotations of an entire robot, for example, slip rings for power and signal line transmission must be used in robot joints.
  • Robotic limbs are understood to mean moving parts of a robot, such as arms of moving or fixed robots, and legs of moving robots. Also a robot foot, while no
  • the robot limbs comprise at least one wire of carbon nanotubes (CNTs) or carbon nanostructure-based conductors, such as graphene-based wires.
  • CNTs carbon nanotubes
  • carbon nanostructure-based conductors such as graphene-based wires.
  • Movements can be shortened and a robot can perform with the robot limb, which has a wire of carbon nanotubes at the same time a larger number of operation than with a conventional robot limbs.
  • robot control units and control cabinets are becoming lighter and easier to carry by the robot. This is particularly advantageous for non-stationary or humanoid robots.
  • all components of the robot limbs particularly preferably consist of materials which have a temperature resistance of
  • Carbon nanotubes and carbon nanostructure-based conductors have significantly higher temperature resistance over conventional conductors, such as copper or aluminum based conductors. This allows the robot limbs to operate at temperatures in the range of more than 600 ° C or even more than 700 ° C. She does not suffer, like conventional robot limbs, already at temperatures above 100 ° C under massively increasing line resistance and thus increasing
  • Carbon nanotubes can be used to design hot room robot limbs that can operate at high temperatures in an energy-efficient manner in the long-term without having to provide enormous cooling costs.
  • the robot limbs are adapted for use in a liquid or liquefied gas mixture, and that all components of the robotic limbs are chemically resistant to the liquid or liquefied gas mixture.
  • the chemically high resistance of carbon nanotubes and carbon nanostructure-based conductors offers advantages for robot limbs used in liquids or liquefied gas mixtures, which are not suitable for copper or aluminum based conductors for chemical reasons or need additional protective coatings and which must not have sliding contacts. These are, for example, limbs for pipeline testing robots for the petroleum / natural gas and fuel industries or for the chemical / pharmaceutical
  • the at least one wire is arranged to act simultaneously as a cable and as an electrical power line. While these two functions must be met in conventional robot arms of separate elements, because conventional power cables the tensile loads in one
  • Robotic limbs would not withstand the high tensile strength of carbon nanotubes, these two functions in the wire of the
  • Unify robot limbs This makes it compact and lightweight.
  • the power loss is reduced and the number of load changes increased because a flexible wire of carbon nanotubes over a metallic conductor has a higher torsional and kink load and no aging at bending points.
  • the total line length can be reduced because of the
  • the fastening can be done in particular by knotting.
  • the wire is wound up and down, moving the robot limbs.
  • the attachment to the drive roller can simultaneously act as electrical contacting of the wire. For this purpose, it has no electrical insulation in contact with the drive roller. With suitable guidance of the wire, it can even be carried out completely without electrical insulation.
  • the at least one wire is arranged to function as an electrical power supply. In this way, an actuator of the robot limb can be supplied with electrical energy.
  • the at least one wire is arranged to act as an electrical signal lead. In this way, signals from a sensor can be routed over the wire.
  • the at least one wire is arranged to be twisted by a rotational movement of the robot limbs.
  • Carbon nanotubes these can be arranged so that they are twisted together by a rotational movement of the robot limbs.
  • the robot limb When the robot limb is rotatable, it can be made using at least one carbon nanotube wire so that it does not have a grinding wheel and yet multiple rotations allowed. In this case, it is preferably set up to allow a rotation of up to 720 °, particularly preferably up to 1080 °, so that during operation of the
  • Robot limbs required multiple revolutions can be realized without having to provide a grinding wheel as an additional component for this purpose.
  • each wire has an electrical insulation with respect to the other wires of the ribbon cable. All wires are surrounded by another common electrical insulation.
  • a particularly high number of wires made of carbon nanotubes can be used in a confined space when the ribbon cable has a plurality of ribbon cables contained therein, which are surrounded by a common electrical insulation.
  • Fig. 1 shows a transparent isometric view of a robot arm according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows an isometric transparent representation of a robot arm according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 3 a shows a schematic sectional illustration of a ribbon cable used in the robot arm according to FIG. 2.
  • Fig. 3b shows a schematic sectional view of another
  • Ribbon cable which is used in the robot arm of FIG. 2.
  • Fig. 4 shows a partially sectioned side view of a robot arm according to yet another embodiment of the invention.
  • 5a shows a sectional side view of a robot foot according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 5b shows the robot foot of Fig. 5a after a rotation of 720 °.
  • a robot limb 1 according to a first embodiment of the invention is shown in FIG. It is designed as a robot arm with an upper arm 11 and a lower arm 12. At a side facing away from the lower arm 12 end of the upper arm 11, ie in the shoulder region, a drive roller 31 is disposed in the upper arm 11. A guide 32 is disposed in the hinge region connecting the upper arm 11 to the lower arm 12. A wire 2 made of carbon nanotubes is knotted to the drive roller 31. It runs over the guide 32 to the end of the forearm 12. There it is mechanically fastened and electrically connected to a sensor 4. The wire 2 has no electrical insulation. By rotating the drive roller 31 of the
  • Robotic arm to be bent Electrical signals of the sensor 4 flow through the wire to the drive roller 31 and can be forwarded via this.
  • a second embodiment of the robot limb 1 which is shown in Fig. 2, this is designed as an arm of a humanoid robot.
  • This has an upper arm 11, a lower arm 12 and a hand 13.
  • the upper arm 11 is movably connected to a robot torso 5.
  • a shoulder region which connects the upper arm 11 with the robot torso 5, is a first
  • a second drive roller 31b is arranged in an elbow region connecting the upper arm 11 to the lower arm 12.
  • Each drive roller is driven by an associated electric motor 30a, 30b.
  • Another electric motor 30c is disposed in the hand 13 to move it.
  • a first ribbon cable 61 is mounted in the first drive roller 31a and terminates in the elbow region of the robot arm.
  • a second ribbon cable 62 is secured to the second drive roller 30b and terminates at the third electric motor 30c.
  • a first electrical terminal 71 connects the first electric motor 30a to a power source in the robot torso 5.
  • a second electrical terminal 72 connects the first ribbon cable 61 to the second electric motor 30b.
  • the two ribbon cables 61, 62 each contain a plurality of wires made of carbon nanotubes. They allow the transmission of electrical energy from the power source of the robot torso 5 via the first electrical connection 71, the first ribbon cable 61 and the second electrical connection 72 to the second electric motor 30b. In addition, electrical energy from the second electric motor 30b via the
  • Ribbon cable 62 are forwarded to the third electric motor 30c.
  • Wires in the ribbon cables 61, 62 which are not needed for the power line, can send control signals as signal lines to the second electric motor 30b and the third electric motor 30c. In addition, they can return signals of unrepresented sensors in the robot arm to an electronic control unit in the robot torso 5.
  • FIG. 3 a shows how a plurality of carbon nanotube wires 2 are each surrounded by an electrical insulation 21 in order to isolate them from one another. They are arranged side by side and surrounded by another common electrical insulation 611. Thus, together, they provide a ribbon cable that can be used as the first ribbon cable 61 in the second embodiment of the invention.
  • first ribbon cable 61 may be surrounded by another common insulation 621 and so to a larger
  • Ribbon cables are summarized. This is shown in Fig. 3b and can, for example, as a second ribbon cable 62 in the second
  • Fig. 4 It is designed as a robot arm, whose lower arm 12 is connected to a hand 13, which ends in a gripper 14.
  • the hand 13 is rotatable about a bearing with respect to the lower arm 12.
  • Two carbon nanotube wires 2a, 2b extend in parallel through the forearm 12 and into the hand 13 so that they can function as an electrical connection for the gripper 14.
  • the wires 2a, 2b can be twisted around each other upon rotation of the hand 13. This allows a rotation of the hand 13 by up to 1080 °.
  • a corresponding length retention of the wires 2a, 2b is provided.
  • Robot foot is shown in Fig. 5a.
  • the robot foot has an electronic control unit 81, which controls an electric motor 82. This is connected to a spur gear 83. About this one can by means of a storage system
  • rotatable executed part of the robot foot can be rotated by up to 1080 °.
  • Two wires 2a, 2b made of carbon nanotubes are from outside the
  • Robot foot connected to the electronic control unit 81 to
  • a third wire 2c passes through the robot foot and further into an unillustrated part of the robot.
  • the illustration in FIG. 5a shows the length lead of this third wire 2c before a rotation of the robot foot.
  • Fig. 5b shows a
  • Robot limbs also within the actuators exclusively off
  • Carbon nanotubes exist.
  • all mechanical components are designed in a high-temperature-resistant material, which allows the operation as Hochtemperaturrobotergliedassie even at temperatures up to 800 ° C.
  • all mechanical components are resistant to a liquefied gas mixture. These robot limbs are intended for use in the natural gas industry.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Robotergliedmaße (1), die mindestens einen Draht (2) aus Kohlenstoffnanoröhren oder kohlenstoffnanostrukturbasierten Leitern aufweist. Dieser Draht (2) kann gleichzeitig als Seilzug und als elektrische Stromleitung verwendet werden.

Description

Beschreibung
Titel
Robotergliedmaße
Die vorlegende Erfindung betrifft eine Robotergliedmaße, wie beispielsweise einen Roboterarm oder einen Roboterfuß. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren oder
kohlenstoffnanostrukturbasierten Leitern als Seilzug und gleichzeitig als elektrische Stromleitung, insbesondere in der Robotergliedmaße.
Stand der Technik
Bei Aktorikelementen wie einem Roboterarm werden Kräfte zur Umsetzung von Bewegungen beispielsweise über Seilzüge übertragen. Gleichzeitig werden elektrische Leitungen zur Stromversorgung von elektrischen Antrieben oder zur Signalübertragung innerhalb des Systems verlegt. Die Verkabelung ist ein Teil der bewegten Elemente, so dass das Leitungsgewicht mit zum bewegten Gesamtgewicht beiträgt. Das zusätzlich mitzubewegende Gewicht begrenzt die Verfahrgeschwindigkeit des Roboterarms und erhöht den Energieverbrauch pro Bewegung.
Bei der Signal- und Energieübertragung zu bewegten oder sich drehenden Elementen werden oft Schleifringe verwendet. Ohne Verwendung von
Schleifringen können Kabel durch fehlende Flexibilität und Robustheit beschädigt werden oder die Bewegungs- und Drehfähigkeit des Roboterarms wird begrenzt. Um eine beliebige Zahl an Drehungen eines Gesamtroboters zu ermöglichen, müssen beispielsweise Schleifringe zur Strom- und Signalleitungsübertragung in Robotergelenken eingesetzt werden.
Offenbarung der Erfindung Unter einer Robotergliedmaße werden bewegliche Teile eines Roboters wie beispielsweise Arme von beweglichen oder ortsfesten Robotern und Beine von beweglichen Robotern verstanden. Auch ein Roboterfuß, der zwar keine
Fortbewegung aber eine Rotation eines Roboters ermöglicht, wird als
Robotergliedmaße verstanden.
Die Robotergliedmaße weist mindestens einen Draht aus Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes; CNT) oder aus kohlenstoffnanostrukturbasierten Leitern, wie beispielsweise graphenbasierte Drähte auf. Dieser vereint eine gute elektrische Leitfähigkeit bei geringem Gewicht mit extrem hoher mechanischer Festigkeit. Die Verringerung des bewegten Gewichtes gegenüber einer herkömmlichen Robotergliedmaße ermöglicht die Verringerung der Antriebsleistungen der mitzubewegenden Motoren und damit deren Größenreduzierung. In der Folge können Verfahrgeschwindigkeiten signifikant erhöht werden und die Reichweite der Gliedmaßen entsprechend gesteigert werden. Aufgrund der geringeren Massenträgheit können Abbrems- und Beschleunigungsvorgänge bei
Bewegungen verkürzt werden und ein Roboter kann mit der Robotergliedmaße, die einen Draht aus Kohlenstoffnanoröhren aufweist in gleicher Zeit eine größere Zahl an Operation durchführen als mit einer herkömmlichen Robotergliedmaße. Gleichzeitig werden auch Robotersteuerungseinheiten und Schaltschränke leichter und können einfacher vom Roboter mitgetragen werden. Dies ist insbesondere für nicht ortsfeste oder humanoide Roboter vorteilhaft.
Es ist bevorzugt, dass alle elektrischen Leiter der Robotergliedmaße, wie beispielsweise Energieversorgungsleitungen und Signalleitungen,
Kohlenstoffnanoröhren oder kohlenstoffnanostrukturbasierten Leiter aufweisen. Besonders bevorzugt bestehen alle Komponenten der Robotergliedmaße außerdem aus Materialien, welche eine Temperaturbeständigkeit von
mindestens 600°C, ganz besonders bevorzugt von mindestens 700°C, aufweisen. Kohlenstoffnanoröhren und kohlenstoffnanostrukturbasierten Leitern weisen gegenüber herkömmlichen Leitern, beispielsweise kupfer- oder aluminiumbasierten Leitern, eine signifikant höheren Temperaturbeständigkeit auf. Dadurch kann die Robotergliedmaße noch bei Temperaturen im Bereich von mehr als 600°C oder sogar mehr als 700°C arbeiten. Sie leidet nicht, wie herkömmliche Robotergliedmaßen, bereits bei Temperaturen ab 100°C unter massiv steigenden Leitungswiderständen und damit steigendem
Energieverbrauch, da der elektrische Widerstand von Kohlenstoffnanoröhren und kohlenstoffnanostrukturbasierten Leitern mit der Temperatur kaum steigt.
Gestaltet man auch die Wicklungen und Bauelemente der Aktoren mit
Kohlenstoffnanoröhren, lassen sich Heißraumrobotergliedmaßen konzipieren, die längerfristig bei hohen Temperaturen energieeffizient arbeiten können ohne enorme Kühlaufwände mit vorsehen zu müssen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Robotergliedmaße für eine Verwendung in einer Flüssigkeit oder einem Flüssiggasgemisch eingerichtet ist, und dass alle Komponenten der Robotergliedmaße chemisch resistent gegenüber der Flüssigkeit oder dem Flüssiggasgemisch sind. Die chemisch hohe Beständigkeit von Kohlenstoffnanoröhren und kohlenstoffnanostrukturbasierten Leitern bietet Vorteile für Robotergliedmaßen, die in Flüssigkeiten oder Flüssiggasgemischen zum Einsatz kommen, welche für kupfer- oder aluminiumbasierte Leiter aus chemischen Gründen nicht geeignet sind oder zusätzliche Schutzschichten benötigen und die keine Schleifkontakte aufweisen dürfen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Gliedmaßen für Rohrleitungsprüfroboter für die Erdöl- /Erdgas- und Kraftstoffindustrie oder für die chemisch/pharmazeutische
Industrie).
Bevorzugt ist der mindestens eine Draht eingerichtet, um gleichzeitig als Seilzug und als elektrische Stromleitung zu fungieren. Während diese beiden Funktionen bei herkömmlichen Roboterarmen von separaten Elementen erfüllt werden müssen, weil herkömmliche Stromkabel den Zugbelastungen in einer
Robotergliedmaße nicht standhalten würden, ermöglicht die hohe Zugfestigkeit von Kohlenstoffnanoröhren es, diese beiden Funktionen im Draht der
Robotergliedmaße zu vereinen. Dadurch kann sie kompakt und mit geringem Gewicht realisiert werden. In der Funktion als elektrische Stromleitung wird die Verlustleistung reduziert und die Anzahl der Lastwechsel erhöht, da ein flexibler Draht aus Kohlenstoffnanoröhren gegenüber einem metallischen Leiter eine höhere Torsions- und Knickbelastbarkeit sowie keine Alterung an Biegestellen aufweist. Die Gesamtleitungslänge kann verringert werden, da durch die
Biegeschlaffheit von Kohlenstoffnanoröhren ein geringerer Längenvorhalt an Gelenken vorgesehen werden muss. Außerdem muss wegen des geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kohlenstoffnanoröhren auch ein geringerer Längenvorhalt wegen Temperaturschwankungen vorgesehen werden. In der Funktion des Drahts als Seilzug wird dieser vorzugsweise an einer
Antriebsrolle der Robotergliedmaße befestigt. Das Befestigen kann insbesondere durch Verknoten erfolgen. Bei einer Bewegung der Antriebsrolle wird der Draht auf- und abgewickelt und bewegt damit die Robotergliedmaße. Die Befestigung an der Antriebsrolle kann dabei gleichzeitig als elektrische Kontaktierung des Drahts fungieren. Hierzu weist er im Kontakt mit der Antriebsrolle keine elektrische Isolierung auf. Bei geeigneter Führung des Drahts kann er sogar vollständig ohne elektrische Isolierung ausgeführt werden.
In einer Ausführungsform der Robotergliedmaße ist der mindestens eine Draht eingerichtet, um als elektrische Energieversorgung zu fungieren. Auf diese Weise kann ein Aktor der Robotergliedmaße mit elektrischer Energie versorgt werden.
In einer anderen Ausführungsform der Robotergliedmaße ist der mindestens eine Draht eingerichtet, um als elektrische Signalleitung zu fungieren. Auf diese Weise können Signale eines Sensors über den Draht geleitet werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der mindestens eine Draht eingerichtet ist, um durch eine Rotationsbewegung der Robotergliedmaße verdrillt zu werden.
Hierbei wird ausgenutzt, dass Kohlenstoffnanoröhren eine deutlich höhere Verdrillung als Kupferkabel zulassen. Es muss lediglich die durch die Verdrillung entstehende Verkürzung des Drahts vorgehalten werden.
Wenn die Robotergliedmaße mehrere parallel verlaufende Drähte aus
Kohlenstoffnanoröhren aufweist, können diese so angeordnet werden, dass sie durch eine Rotationsbewegung der Robotergliedmaße miteinander verdrillbar sind.
Wenn die Robotergliedmaße rotierbar ausgeführt ist, kann sie unter Verwendung von mindestens einem Draht aus Kohlenstoffnanoröhren so ausgeführt werden, dass sie keine Schleifscheibe aufweist und dennoch eine mehrfache Rotation erlaubt. Sie ist hierbei bevorzugt eingerichtet um eine Rotation bis 720°, besonders bevorzugt bis 1080° zuzulassen, so dass im Betrieb der
Robotergliedmaße erforderliche mehrfache Umdrehungen realisiert werden können, ohne hierfür eine Schleifscheibe als zusätzliches Bauteil vorsehen zu müssen.
Wenn die Robotergliedmaße mehrere parallel verlaufende Drähte aus
Kohlenstoffnanoröhren erfordert, um beispielsweise mehrere Funktionen der Energie- und Signalleitung zu erfüllen, ist es bevorzugt, dass die Drähte als Flachbandkabel ausgeführt sind. Dabei weist jeder Draht gegenüber den anderen Drähten des Flachbandkabels eine elektrische Isolierung auf. Alle Drähte sind von einer weiteren gemeinsamen elektrischen Isolierung umgeben.
Eine besonders hohe Anzahl von Drähten aus Kohlenstoffnanoröhren kann auf engstem Raum eingesetzt werden, wenn das Flachbandkabel mehrere darin enthaltene Flachbandkabel aufweist, die von einer gemeinsamen elektrischen Isolierung umgeben sind.
Die Verwendung eines Drahts aus Kohlenstoffnanoröhren als Seilzug und gleichzeitig als elektrische Stromleitung kann nicht nur in der Robotergliedmaße erfolgen. Auch in anderen Bereichen der Aktorik ist diese Verwendung denkbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine transparente isometrische Darstellung eines Roboterarms gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine isometrische transparente Darstellung eines Roboterarms gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3a zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Flachbandkabels, welches in dem Roboterarm gemäß Fig. 2 verwendet wird. Fig. 3b zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines anderen
Flachbandkabels, welches in dem Roboterarm gemäß Fig. 2 verwendet wird.
Fig. 4 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Roboterarms gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 5a zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Roboterfußes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 5b zeigt den Roboterfuß aus Fig. 5a nach einer Rotation um 720°.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Eine Robotergliedmaße 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Sie ist als Roboterarm mit einem Oberarm 11 und einem Unterarm 12 ausgeführt. An einem dem Unterarm 12 abgewandten Ende des Oberarms 11, also im Schulterbereich, ist im Oberarm 11 eine Antriebsrolle 31 angeordnet. Eine Führung 32 ist in dem Gelenkbereich angeordnet, der den Oberarm 11 mit dem Unterarm 12 verbindet. Ein Draht 2 aus Kohlenstoffnanoröhren ist mit der Antriebsrolle 31 verknotet. Er läuft über die Führung 32 bis zum Ende des Unterarms 12. Dort ist er mechanisch befestigt und elektrisch mit einem Sensor 4 verbunden. Der Draht 2 weist keine elektrische Isolierung auf. Durch Drehen der Antriebsrolle 31 kann der
Roboterarm gebeugt werden. Elektrische Signale des Sensors 4 fließen durch den Draht zu der Antriebsrolle 31 und können über diese weitergeleitet werden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Robotergliedmaße 1, das in Fig. 2 dargestellt ist, ist diese als Arm eines humanoiden Roboters ausgeführt. Dieser weist einen Oberarm 11, einen Unterarm 12 und eine Hand 13 auf. Der Oberarm 11 ist beweglich mit einem Robotertorso 5 verbunden. In einem Schulterbereich, der den Oberarm 11 mit dem Robotertorso 5 verbindet, ist eine erste
Antriebsrolle 31a angeordnet. In einem Ellenbogenbereich, der den Oberarm 11 mit dem Unterarm 12 verbindet, ist eine zweite Antriebsrolle 31b angeordnet. Jede Antriebsrolle wird durch einen ihr zugeordneten Elektromotor 30a, 30b angetrieben. Ein weiterer Elektromotor 30c ist in der Hand 13 angeordnet, um diese zu bewegen. Ein erstes Flachbandkabel 61 ist in der ersten Antriebsrolle 31a befestigt und endet im Ellenbogenbereich des Roboterarms. Ein zweites Flachbandkabel 62 ist an der zweiten Antriebsrolle 30b befestigt und endet am dritten Elektromotor 30c. Ein erster elektrischer Anschluss 71 verbindet den ersten Elektromotor 30a mit einer Energiequelle im Robotertorso 5. Ein zweiter elektrischer Anschluss 72 verbindet das erste Flachbandkabel 61 mit dem zweiten Elektromotor 30b. Die beiden Flachbandkabel 61, 62 enthalten jeweils mehrere Drähte aus Kohlenstoffnanoröhren. Sie ermöglichen die Weiterleitung von elektrischer Energie aus der Energiequelle des Robotertorsos 5 über den ersten elektrischen Anschluss 71, das erste Flachbandkabel 61 und den zweiten elektrischen Anschluss 72 an den zweiten Elektromotor 30b. Außerdem kann elektrische Energie vom zweiten Elektromotor 30b über das zweite
Flachbandkabel 62 zum dritten Elektromotor 30c weitergeleitet werden. Drähte in den Flachbandkabeln 61, 62, die nicht zur Energieleitung benötigt werden, können als Signalleitungen Steuersignale an den zweiten Elektromotor 30b und den dritten Elektromotor 30c senden. Außerdem können sie Signale nicht dargestellter Sensoren im Roboterarm in ein elektronisches Steuergerät im Robotertorso 5 zurückleiten.
In Fig. 3a ist dargestellt, wie mehrere Drähte 2 aus Kohlenstoffnanoröhren jeweils von einer elektrischen Isolierung 21 umgeben sind, um sie gegeneinander zu isolieren. Sie sind nebeneinander angeordnet und von einer weiteren gemeinsamen elektrischen Isolierung 611 umgeben. So ergeben sie gemeinsam ein Flachbandkabel, das als das erste Flachbandkabel 61 in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden kann.
Mehrere derartige erste Flachbandkabel 61 können von einer weiteren gemeinsamen Isolierung 621 umgeben sein und so zu einem größeren
Flachbandkabel zusammengefasst werden. Dies ist in Fig. 3b dargestellt und kann beispielsweise als zweites Flachbandkabel 62 in dem zweiten
Ausführungsbeispiel verwendet werden. Eine Robotergliedmaße 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Sie ist als Roboterarm ausgeführt, dessen Unterarm 12 mit einer Hand 13 verbunden ist, die in einem Greifer 14 endet. Die Hand 13 ist über eine Lagerung rotierbar in Bezug auf den Unterarm 12 ausgeführt. Zwei Drähte 2a, 2b aus Kohlenstoffnanoröhren verlaufen parallel durch den Unterarm 12 und in die Hand 13 hinein, so dass sie als elektrische Anbindung für den Greifer 14 fungieren können. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, können die Drähte 2a, 2b bei einer Drehung der Hand 13 umeinander verdrillt werden. Dies ermöglicht eine Drehung der Hand 13 um bis zu 1080°. Hierzu ist ein entsprechender Längenvorhalt der Drähte 2a, 2b vorgesehen.
Ein viertes Ausführungsbeispiel einer Robotergliedmaße 8 in Form eines
Roboterfußes ist in Fig. 5a dargestellt. Der Roboterfuß weist ein elektronisches Steuergerät 81 auf, welches einen Elektromotor 82 steuert. Dieser ist mit einem Stirnradgetriebe 83 verbunden. Über dieses kann ein mittels eines Lagersystems
84 drehbar ausgeführter Teil des Roboterfußes um bis zu 1080° gedreht werden. Zwei Drähte 2a, 2b aus Kohlenstoffnanoröhren sind von außerhalb des
Roboterfußes mit dem elektronischen Steuergerät 81 verbunden, um
Steuersignale zu senden und dieses, den Elektromotor 82 sowie weitere
Roboterkomponenten mit elektrischer Energie zu versorgen. Um Steuersignale und elektrische Energie weiter in den Roboter hinein zu senden, verläuft ein dritter Draht 2c durch den Roboterfuß und weiter in einen nicht dargestellten Teil des Roboters hinein. Die Darstellung in Fig. 5a zeigt den Längenvorhalt dieses dritten Drahts 2c vor einer Rotation des Roboterfußes. Fig. 5b zeigt eine
Verkürzung dieses dritten Drahts 2c durch Verdrillung bei einer Drehung des
Roboterfußes um 720°. Es ist jedoch immer noch ein weiterer Längenvorhalt für eine weitere Rotation des Roboterfußes vorhanden.
Alle voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Robotergliedmaße können so ausgeführt sein, dass alle elektrischen Leitungen der
Robotergliedmaße auch innerhalb der Aktuatoren ausschließlich aus
Kohlenstoffnanoröhren bestehen. In einem fünften Ausführungsbeispiel sind zudem alle mechanischen Komponenten in einem hochtemperaturbeständigen Material ausgeführt, das den Betrieb als Hochtemperaturrobotergliedmaße auch bei Temperaturen von bis zu 800°C ermöglicht. In einem sechsten Ausführungsbeispiel sind alle mechanischen Komponenten beständig gegenüber einem Flüssiggasgemisch ausgeführt. Diese Robotergliedmaße ist zum Einsatz in der Erdgasindustrie vorgesehen.

Claims

Ansprüche
1. Robotergliedmaße (1, 8), aufweisend mindestens einen Draht (2, 2a-c) aus Kohlenstoffnanoröhren oder kohlenstoffnanostrukturbasierten Leitern.
2. Robotergliedmaße (1, 8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Draht (2, 2a-c) eingerichtet ist, um gleichzeitig als Seilzug und als elektrische Stromleitung zu fungieren.
3. Robotergliedmaße (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Draht (2, 2a-b) an einer Antriebsrolle (31, 31a-b) der Robotergliedmaße (1) befestigt ist.
4. Robotergliedmaße (1, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der mindestens eine Draht (2, 2a-c) eingerichtet ist, um als elektrische Energieversorgung zu fungieren.
5. Robotergliedmaße (1, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der mindestens eine Draht (2, 2a-c) eingerichtet ist, um als elektrische Signalleitung zu fungieren.
6. Robotergliedmaße (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der mindestens eine Draht (2c) eingerichtet ist, um durch eine Rotationsbewegung der Robotergliedmaße (8) verdrillt zu werden.
7. Robotergliedmaße (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Drähte (2a, 2b) aus Kohlenstoffnanoröhren oder
kohlenstoffnanostrukturbasierten Leitern aufweist, die durch eine
Rotationsbewegung der Robotergliedmaße (1) miteinander verdrillbar sind.
8. Robotergliedmaße (1, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass sie rotierbar ausgeführt ist und keine Schleifscheibe aufweist.
9. Robotergliedmaße (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Drähte (2) aus Kohlenstoffnanoröhren oder kohlenstoffnanostrukturbasierten Leitern aufweist, die als
Flachbandkabel (61, 62) ausgeführt sind, wobei jeder Draht gegenüber den anderen Drähten des Flachbandkabels (61, 62) eine elektrische Isolierung (21) aufweist und alle Drähte (2) von einer weiteren gemeinsamen elektrischen Isolierung (611) umgeben sind.
10. Robotergliedmaße (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachbandkabel (62) mehrere darin enthaltene Flachbandkabel (61) aufweist, die von einer gemeinsamen elektrischen Isolierung (621) umgeben sind.
11. Robotergliedmaße (1, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass alle elektrischen Leiter der Robotergliedmaße (1, 8) Kohlenstoffnanoröhren oder kohlenstoffnanostrukturbasierten Leiter aufweisen.
12. Robotergliedmaße (1, 8) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle Komponenten der Robotergliedmaße (1, 8) aus Materialien bestehen, welche eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 600°C aufweisen.
13. Robotergliedmaße (1, 8) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, dass sie für eine Verwendung in einer Flüssigkeit oder einem Flüssiggasgemisch eingerichtet ist, und dass alle Komponenten der Robotergliedmaße (1, 8) chemisch resistent gegenüber der Flüssigkeit oder dem Flüssiggasgemisch sind.
14. Verwendung eines Drahts (2, 2a-c) aus Kohlenstoffnanoröhren oder
kohlenstoffnanostrukturbasierten Leitern als Seilzug und gleichzeitig als elektrische Stromleitung.
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