WO2021219200A1 - Drive device for a robotic joint - Google Patents

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WO2021219200A1
WO2021219200A1 PCT/EP2020/061729 EP2020061729W WO2021219200A1 WO 2021219200 A1 WO2021219200 A1 WO 2021219200A1 EP 2020061729 W EP2020061729 W EP 2020061729W WO 2021219200 A1 WO2021219200 A1 WO 2021219200A1
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WO
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drive
drive device
shaft
output
motor
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/061729
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German (de)
French (fr)
Inventor
Georg Bachmaier
Christian Bachmann
Dominik Bergmann
Gerit Ebelsberger
Reinhard Freitag
Matthias Gerlich
Christian Mose
Thomas Vontz
Wolfgang Zöls
Original Assignee
Rethink Robotics Gmbh
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Filing date
Publication date
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Priority to PCT/EP2020/061729 priority Critical patent/WO2021219200A1/en
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0004Braking devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
    • B25J9/126Rotary actuators
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    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K11/20Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K11/20Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/24Devices for sensing torque, or actuated thereby
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    • H02K7/086Structural association with bearings radially supporting the rotor around a fixed spindle; radially supporting the rotor directly
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    • H02K7/10Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/104Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with eddy-current brakes

Definitions

  • the present invention relates to a drive device for a robotic joint with a drive motor and a gear unit.
  • Robotikge Numerous robot arms are known from the prior art, such a robot arm typically having a plurality of robotic joints and each of these Robotikge joints enables a rotational movement with respect to a rotational degree of freedom.
  • a Robotikge has a drive device for a rotary movement.
  • the se rotary movement is brought about by a drive motor with which a drive shaft is rotated.
  • the speed can be changed with a gear unit downstream of the motor and set accordingly to a desired range of values for the output side.
  • Such conventional robotic arms or robotic joints are often used in industrial production. However, many of them cannot be used, or only to a limited extent, as collaborative robots ("cobots" for short) because they do not adequately meet the safety requirements for collaborative cooperation between robots and human workers Among other things, movement of the robot arm can be stopped as immediately as possible in the event of a fault or danger.
  • an active brake can be provided in the area of the articulated drive.
  • Such brakes are also used in conventional (not collaborative They are often arranged on the output side of such a robotic joint, since braking in this area effectively protects the robotic joint itself from damage in the event of a malfunction The aim of such safety devices This means that in the event of a malfunction, the affected robot arm should not collapse and thus prevent damage to the arm or its joints.
  • Many conventional robots also have no brake at all, but at most one lock, which can be arranged, for example, on the drive side and can only hold the robot arm in a predetermined stationary position.
  • a disadvantage of the conventional robotic drives with such an active braking device is that this braking device typically has a high intrinsic mass and requires a comparatively large installation space. This leads to an undesirable increase in mass and / or installation space of the entire robotic joint.
  • the object of the invention is therefore to provide a drive device for a robotic joint which overcomes the aforementioned parts.
  • a drive device is to be made available which enables active braking of the rotational movement that has been effected and yet still has a low intrinsic mass and / or an overall compact design.
  • Another object is to provide a robotic joint with such a drive device.
  • the drive device is designed as a drive device for a robotic joint and, in particular, is dimensioned accordingly for this application. It comprises a drive motor with a drive shaft which is rotatable with respect to a central axis A. It further comprises a transmission with a fixed element, a drive element and an output element, the drive element being connected to the drive shaft of the drive motor in a torque-transmitting manner. It further comprises a braking device for braking the rotational movement of the drive shaft, wherein the Braking device is arranged axially between the drive motor and the Ge gear.
  • a motorseiti ges axial end al is defined by the axial position of the drive motor (with respect to the transmission).
  • the opposite axial end is referred to below as the output-side axial end a2, since in this area the rotary movement is typically diverted by a rotating output body.
  • the drive motor can in particular be an electric motor. This can comprise a rotor and a stator.
  • the transmission can expediently increase or decrease the speed between the drive shaft of the motor and an output body connected to the output element. The torque on the output side is also changed.
  • the transmission typically and generally advantageously brings about a reduction in the speed and an increase in the torque on the output side.
  • the fixed element of the transmission is generally used to connect it to the mechanical mass of the drive device.
  • the arrangement according to the invention of the braking device axially between the drive motor and the gearbox enables the rotary movement to be braked in the area of the comparatively higher speed and the comparatively lower effective torque.
  • the braking device can therefore in particular act directly on the drive shaft and thus on the drive side of the drive device, where it brakes the torque on the drive side.
  • the braking device can be designed for braking a comparatively low torque. If only a low torque needs to be braked, the required braking device can be made correspondingly small and light. This results in a particularly compact and / or particularly light design of the entire drive device. device allows, the safety-relevant function of the braking device is still fulfilled.
  • the braking device makes it possible in particular to use the drive device as a drive in a robotic joint of a collaborative robot arm (ie a "cobot") of the robot arm can be stopped very quickly and effectively. It is therefore particularly preferred if the braking device is controlled by a control device to which the output values of an optional measuring device for an internal torque are fed Torque take place, which enables an automatic determination of a fault or dangerous condition.
  • the robotic joint according to the invention has a drive device according to the invention.
  • the advantages of the robotic joint according to the invention arise analogously to the above-described advantages of the drive device according to the invention.
  • the robotic joint can have further mechanical elements, for example a connecting member and / or a base element for connecting to neighboring robotic joints of a robot arm.
  • Such a robot arm which has at least one such robotic joint, should also generally be regarded as an object according to the invention.
  • several (and in particular even all) existing robotics joints can advantageously be configured in the manner described.
  • the described configurations of the drive device, the Robotikge steering and / or the robot arm can generally advantageously be combined with one another.
  • the braking device can be arranged axially adjacent to the drive motor. In other words, the braking device then lies directly next to the drive motor, so that no other functional element lies in between.
  • An advantage of this directly adjacent arrangement is that it enables a particularly compact, space-saving integration of the braking device into the drive device.
  • the braking device comprises an electromagnetic brake with at least one brake disc and at least one electromagnetic field coil.
  • the at least one brake disc is in particular connected firmly and torque-transmitting to the drive shaft. It therefore belongs to the (typically) rapidly rotating part of the drive device.
  • the at least one field coil is designed in particular as a fixed component of the drive device. For example, this field coil (or more generally: the entire stationary part of the braking device) can be firmly connected to the stator of the drive motor.
  • a safety brake should be understood to mean a braking device that is closed in the de-energized state ("normally closed"). If, in the event of a malfunction, the voltage applied to the field coil or the current flowing through the field coil drops to zero falls off, then the brake closes and the rotary movement stops.
  • a fail-safe brake enables reliable braking even under unfavorable conditions and operational disruptions. This embodiment therefore enables the corresponding robotic joint to be used in safety-critical environments, e.g. in a collaborative robot.
  • the transmission is a single-stage transmission, in particular a Harmonie Drive transmission.
  • Such a transmission is also referred to in German as a stress wave transmission.
  • the fixed element can then be formed by a circular spline of the harmonic drive transmission.
  • the drive element can be formed by a wave generator and the output element can be formed by a flex spline of this gear.
  • Such a Harmonie Drive transmission in particular enables the implementation of a drive device with a relatively high gear ratio. With such a gear, the speed between drive and output can be reduced by a factor of about 100, for example.
  • other configurations of the transmission are also possible, for example as a planetary transmission.
  • the drive device has a bearing shaft fixedly connected to the output element of the transmission, which shaft extends in the axial direction at least over the axial regions of the drive motor, the braking device and the transmission.
  • This bearing shaft can be connected to the output element of the transmission either directly or via one or more optional intermediate elements (for example an output body and / or one or more ring elements).
  • This bearing shaft can in particular be passed radially on the inside through the drive motor, the braking device and the transmission. It rotates together with the output body without a torque necessarily being diverted via this bearing shaft.
  • the bearing shaft can be rotatably supported by one or more radial bearings.
  • the bearing shaft can advantageously also extend over the axial areas of other optional elements, namely the area of a motor-side rotary encoder, a spoked wheel for internal torque measurement, a disk element of a Basic holder, an output-side radial bearing and / or an output-side rotary encoder.
  • the La gerwelle can extend axially over the areas of all elemen mentioned.
  • the bearing shaft it can be designed as a hollow shaft, in particular over its entire axial length.
  • One advantage of this embodiment variant is that one or more electrical connecting lines can then be routed inside this hollow shaft. Through this connection line (s), for example, the successive joint drives of a robot arm can be electrically connected to one another and / or connections can be implemented across the individual joints. As a result, the electrical energy supply of the individual Ge joint drives and / or communication with the joint drives can be ensured in particular.
  • This can, for example, be communication of the articulated drives with an external control unit and / or communication of the individual joints with one another and / or communication with a camera arranged on the outermost joint and / or an end effector arranged there with a control unit by the da between the robotic joints.
  • the drive device can have a rotary encoder in the motor-side end region for determining the angular position of the bearing shaft and / or the drive shaft.
  • the angular position of the drive shaft is particularly advantageously measured here.
  • the rotary encoder on the motor side is preferably arranged on the front side (that is to say axially offset) next to it.
  • the motor-side encoder can also be designed to measure the angular position of the bearing shaft.
  • the rotary encoder (s) on the motor side can be arranged particularly advantageously in the axial direction between the drive motor and an optionally present control device.
  • the drive device comprises a control device for controlling the drive motor and / or the braking device.
  • This control device can be arranged particularly advantageously in the motor-side end region of the drive device.
  • it can comprise a control board, one or more converters, one or more readout elements of the at least one rotary encoder and / or a communication interface.
  • it can be a central control device of the drive device.
  • the drive device can include a rotary encoder in the output-side end region of the bearing shaft for determining the angular position of the bearing shaft.
  • This output-side rotary encoder can be present as an alternative or in addition to the described motor-side rotary encoder. If there are a total of several rotary encoders, this has the advantage that, by interpolating the signals, the With both rotary encoders, increased accuracy can be achieved in determining the overall angular position of the drive device.
  • the axial position of the optional output-side rotary encoder can particularly advantageously lie between a radial bearing for mounting the bearing shaft and the output-side axial end region of the drive device.
  • Said Radi allager is provided in particular for the rotatable mounting of the La gerwelle against the stationary part of the drive device.
  • the described terminal positions of the two rotary encoders advantageously enable an angle measurement near the axial ends of the bearing shaft.
  • the drive device can have an output body which is rotatably supported by a radial bearing on the output side.
  • a radial bearing on the output side.
  • “on the output side” should be understood to mean that this radial bearing is arranged on the side of the transmission facing away from the drive motor.
  • Such an output body can also be composed of several elements
  • the bearing shaft is supported together with the output body via this radial bearing.
  • the radial bearing of the output body is advantageously a roller bearing, in particular a roller bearing and particularly advantageously a crossed roller bearing.
  • the output body can in particular be designed as a hollow shaft, in which case further elements can then be passed through the interior of the hollow shaft, for example one or more electrical connection lines.
  • the fixed part of such a bearing can also be provided by one or more ring elements.
  • the rotatable ring elements of the output body are advantageously radially inner rings, and in the ring elements of the stationary part are advantageously radially outer rings.
  • the drive device can have a base holder for connection to an external mechanical mass.
  • the mechanical mass is understood to be the mechanical reference point for the drive movement.
  • this can be a base of a robotic joint.
  • the mechanical reference point can also be an output of an adjacent joint or a connec tion element connected to such an output.
  • the base holder serves as an internal mechanical reference point for the drive device, relative to which an output body rotates.
  • This basic holder can advantageously have a disk element which is oriented perpendicular to the central axis.
  • This disk element can in particular be arranged axially between the transmission and the radial bearing on the output side. It can therefore serve as an internal mechanical reference point and at the same time divide the drive device axially into an area on the engine side and an area on the output side.
  • the disk element can also be connected to part of a measuring device for measuring an internal torque of the drive device, in particular to a spoked wheel.
  • this can have a base with a flange for connection to an external component.
  • This outer component can, for example, be a base of a robot arm or also a further inside (trunk-side) robotics joint or a further outside (tool-side) robotics joint of the robot arm.
  • the flange can have a flange axis which is perpendicular to the central axis of the drive device. In other words, a 90 ° angle is then created between the connection axis and the axis of rotation of the associated robot tic joint formed.
  • the flange can also have a flange axis which is essentially parallel to the central axis of the drive device. It is then a coaxial arrangement of the connecting axis and the axis of rotation.
  • the drive device can comprise a measuring device for measuring a torque acting within the drive device.
  • This measuring device can have a spoked wheel as an essential component. The torque transmitted via this spoke wheel is measured by deforming the spokes.
  • This torque can in particular be a transmission support torque.
  • This type of internal torque measurement is described in detail in the patent application filed on the same filing date by the same applicant as "To drive device, robot arm and method for measuring torque", which should therefore be included in the content of the present application.
  • the drive device can have a lubricated and an unlubricated sub-area. These two partial areas can be separated by one or more sealing elements, in particular by
  • the two partial areas can advantageously be sealed from one another by several such sealing elements, in particular by one or more of all three types of sealing elements mentioned.
  • a static seal should be understood to mean a lubricant-tight connection between two stationary elements.
  • a rotary seal is to be understood as a lubricant-tight seal between two elements rotating relative to one another (without these being integrated into a rotary bearing).
  • a sealed radial bearing should be understood to mean a radial bearing through which ben the mechanical mounting, a fluid-tight seal between the two rotatable elements is given.
  • the unlubricated sub-area can advantageously include one or more particularly sensitive areas of the drive device.
  • a particularly sensitive area is, for example, the area of the rotor and the stator of the drive motor and / or the area of the braking device.
  • these are the areas of the following optionally present lowing elements: a control device, a motor-side and / or output-side rotary encoder and the area of an axially internally guided electrical line.
  • the unlubricated partial area preferably comprises the areas of several (and in particular even all) of the particularly sensitive elements mentioned. These sensitive elements are advantageously protected from the influences of the external environment by one or more moisture and dustproof seals.
  • Figure 1 shows a schematic longitudinal section of a drive device according to a first example of the invention
  • Figure 2 shows a longitudinal section of a drive device according to a second embodiment
  • Figure 3 shows an exploded view of a similar drive mechanism
  • FIG. 4 illustrates various partial areas for the drive device of FIG. 2 and
  • FIG. 5 shows a schematic perspective illustration of a robot arm.
  • a drive device 1 is shown according to a first example of the invention. Shown is a schematic longitudinal section along the central axis A.
  • the drive device 1 comprises a drive housing 3, the radially delimiting wall is shown by a dashed line.
  • the drive housing 3 encloses a drive motor 5, a gear 50, a braking device 8 and other, partly optional components. It is therefore a highly integrated drive device, which is here comparatively compact.
  • the torque generated by the drive motor 5 is diverted via a drive shaft 7 and transmitted to a drive element 52 of the transmission 50.
  • the drive shaft 7 is rotatably arranged with respect to the central axis A of the drive device 1.
  • the drive device 1 has an axial end a1 on the engine side and an axial end a2 on the output side.
  • the drive motor 5 comprises a stationary stator 5a and a rotor 5b rotatably mounted for this purpose.
  • the stationary stator 5a is firmly connected to the housing 3.
  • the fixed parts are shown in Figure 1 without hatching.
  • the parts rotating at the speed of the rotor 5b, however, are shown with close hatching, and the parts rotating at the (in particular slower) speed of the output element 53 of the transmission 50 are shown with wider hatching.
  • the braking device 8 is arranged axially between the drive motor 5 and the transmission 50. In particular, it is arranged axially directly adjacent to the drive motor 5, so that there is no further functional element between the drive motor 5 and the braking device 8 (apart from the connecting, torque-transmitting drive shaft 7, which, however, is located radially further inward than the elements 5 and 8 and therefore not immediately in between).
  • the braking device 8 is designed here as an electromagnetic Bremsein direction. It comprises a rotating with the speed of the rotor 5b and attached to the drive shaft 7 activated brake disc 8a. It also comprises a fixed part 8b in which an electromagnetic field coil 8c is integrated. This fixed part 8b of the Bremseinrich device surrounds the drive shaft 7 radially.
  • the brake When the field coil 8c is de-energized, the brake is closed, for example via a spring element, and the rotation of the drive shaft 7 is prevented. So it is a safety brake.
  • the closing of the brake can be brought about, for example, by rubbing the contact between the brake disc 8a and a further sub-element of the stationary part 8b, not shown in detail here.
  • This frictional contact with the brake disc can in principle be one-sided or two-sided mechanical contact of such a fixed braking element with the brake disc. With a suitable energization of the field coil 8c, however, this friction contact is weakened or even completely canceled, so that rotation of the output shaft 7 is made possible in the energized state.
  • the gear 50 also includes an output element 53 and a fixed element 51 as essential components.
  • the gear 50 is designed as a harmony drive gear, the drive element 52 being the wave generator, the Output element 53 forms the flex spline and the fixed element 51 forms the circular spline of this gear.
  • the flex spline here comprises a bushing-like shaped sub-element 53a, which is connected to an output body 40 to transmit torque. From this drive body 40 is shown here as a rotationally symmetrical output shaft, with an enlarged diameter towards the output side a2. In this area, a flange for connection to an outer element to be rotated can also be provided.
  • the output body 40 is rotatably mounted here by means of a radial bearing 43 against the external fixed elements of the drive device, which are not shown in detail here, these fixed elements being collectively denoted by 44.
  • the radial bearing 43 can be, for example, a crossed roller bearing.
  • the radial bearing 43 can generally advantageously lie on a comparatively large radius.
  • the output body 40 is connected to a bearing shaft 45 in a fixed and torque-transmitting manner.
  • the se bearing shaft is designed as a in relation to the drive motor 5, to the braking device 8 and to the gear 50 radially inwardly lowing hollow shaft. In the axial direction, this bearing shaft 45 extends at least over the areas of the drive motor 5, the braking device 8 and the gear 50.
  • One or more electrical connection lines (not shown here) and other optional elements can be routed in its interior.
  • bearing shaft comes from the fact that the drive shaft 7, which rotates at a different speed (and in particular faster) in relation to it, is rotatably mounted on this bearing shaft via one or more radial bearings 74.
  • the drive shaft 7 surrounds the bearing shaft 45 radially and concentrically and is supported rotatably on this in the motor-side area al.
  • the rotatably mounted support at the opposite end of the drive shaft results from the bearing within the transmission 50, not shown here.
  • these two rotary encoders are generally optional, and in principle such a rotary encoder would also suffice to determine the angular positions.
  • Both the motor-side encoder 48 and the drive-side encoder 49 are connected here to the stationary parts of the drive device.
  • the motor-side rotary encoder 48 is arranged on the front side adjacent to the rapidly rotating drive shaft 7 and measures its angular position.
  • the output-side rotary encoder 49 is arranged on the front side adjacent to the slowly rotating bearing shaft 45 and measures it Angular position. From the combination and in particular the interpolation of the two measured values of the rotary encoders 48 and 49, the overall state of the system with regard to the angular positions can be determined particularly precisely.
  • FIG. 1 for the sake of clarity, only the essential fixed, rapidly rotating and slowly rotating elements of the drive device 1 of the first personssbei are shown game.
  • the drive device can also comprise further optional elements, and the elements shown can be nested in one another in a much more compact manner, in particular in the axial direction. Both of these are illustrated by FIG. 2, in which a similar drive device according to a second exemplary embodiment of the invention is shown in a schematic longitudinal section.
  • the drive device 1 of FIG. 2 has the same essential core components that have already been described in connection with the simplified FIG.
  • the radially delimiting housing 3 has only been omitted from FIG. 2 for the sake of clarity.
  • the geometric shape of the individual elements already described is shown in more detail here, and further optional elements are shown.
  • the drive device 1 in the end region on the motor side has a control device 25, by means of which the drive motor 5 and optionally also the braking device 8 can be controlled.
  • the control device 25 can comprise a control board aligned perpendicular to the axis A and a plurality of electronic compo elements arranged thereon. This can be, for example, one or more converters or other power electronics elements and optionally one or more readout elements for the rotary encoder 48 or 49 and / or a communication interface and / or a control module for controlling parameters such as current, torque, speed or position .
  • the drive device 1 also includes a base holder 20, which is designed in particular for connection to an external mechanical mass. This basic holder 20 thus forms a kind of mechanical reference body of the drive device 1, against which the other elements are supported.
  • the drive motor 5 is supported mechanically against a base 21 of this basic holder via a support element 9 from.
  • This base 21 lies in a radially outer region of the entire drive device 1 and is designed for connection to external elements, for example via a flange 21a.
  • the flange axis B of this flange is perpendicular to the axis of rotation A.
  • the drive device 1 also comprises a measuring device for measuring a torque acting within the drive device.
  • a spoked wheel 31 forms an essential part of this measuring device.
  • This spoked wheel 31 is designed to transmit a torque between a radially inner and a radially outer area.
  • the torque transmitted by the spoked wheel is the quantity that is measured by the measuring device. In the present example, it is a support torque of the gear 50 against the base holder 20.
  • the radially outer area of the spoke wheel 31 is fixed and transmits torque with the fixed element
  • the base holder in this example has a disk element 22 which is oriented perpendicular to the central axis A.
  • the principle of this torque measurement is described in detail in the parallel application already cited above with the title "Drive device, robot arm and method for torque measurement”.
  • the bearing of the output body 40 against the stationary parts takes place via the already generally described radial bearing 43.
  • the fixed element of the radial bearing is composed of two individual ring-shaped elements: the first outer ring element 44a and the second outer ring element 44b.
  • These two ring elements 44a and 44b are arranged radially on the outside with respect to the radial bearing 43.
  • the inner bearing partner of this radial bearing is again composed of two ring-shaped elements: the first inner ring element 41a and the second inner ring element 41b.
  • These two ring elements 41a and 41b are firmly and torque-transmitting connected to the output body 40 and the output element 53 of the transmission.
  • the connec tion of these output-side, comparatively slowly rotating the elements with one another is conveyed by a gear-side nut ring 54 and a long screw 55 screwed into it.
  • the mounting of the rapidly rotating drive shaft 7 on the slowly rotating bearing shaft 45 is effected in the example of FIG. 2 by two individual, axially adjacent radial bearings: a first radial bearing 74a arranged in the motor-side end area, which is designed as a sealed bearing, and an adjacent second radial bearing 74a, which can be designed as an unsealed bearing.
  • the sealed radial bearing 74a supports the division of the drive device into a lubricated and an unlubricated area, as will become even clearer in connection with FIG.
  • FIG. 3 an exploded view of a drive device 1 is shown.
  • the structure of this drive device and the functional principle of the individual components is on the whole analogous to the drive device of FIG. 2.
  • the same reference symbols are therefore also used for all components.
  • FIG. 3 only illustrates once again the relative axial or radial arrangement of the elements and the sequence with which they can be combined, for example, to form a higher-level drive device.
  • FIG. 4 shows a further longitudinal section for the drive device 1 of FIG.
  • a lubricated sub-area 75 and an unlubricated sub-area 76 is highlighted by hatching and includes in particular an intermediate area between the drive shaft 7 and bearing shaft 45 as well as the area of the gear 50, the spoked wheel 31 and the radial bearing 43.
  • this lubricated sub-area 75 the low-friction rotational movement of the individual components with respect to one another is ensured by a lubricant promoted.
  • the unlubricated area 76 comprises the sensitive sub-areas of the drive motor 5, the braking device 8, the control device 25 and the electrical wiring that is guided within the bearing shaft 45 and is not shown in detail here. In all of these sub-areas there is no lubricant, so that the sensitive components arranged there are protected from a corresponding contamination by a lubricant.
  • the lubricant-tight separation of the two subregions 75 and 76 is achieved by a series of seals, which are also shown in FIG.
  • the main seals are the static seals 70a to 70d, the rotary seals 72a and 72b and the device of the sealed radial bearing 74a.
  • the housing 3 is also shown in Figure 4, which effects an encapsulation to the outside.
  • the static seals 70a to 70e are all designed as O-ring seals.
  • the O-ring of the first static log device 70a is located between the fixed part of the brake 8b and the housing 3 and here limits the lubricated area 75 on the outside next to the transmission 50.
  • the O-ring the second static seal 70b is located between the disk member 22 and the first outer ring member 44a. Here it delimits the lubricated area 75 radially outward just before the radial bearing.
  • the O-ring of the third static seal 70c is located between the first outer ring element 44a and the second outer ring element 44b. It thus forms the outer seal of the radial bearing 74.
  • the O-ring of the fourth static seal 70d encloses a connecting line, not shown here, which leads to the outside through the flange 21a. So he seals the GE lubricated area 75 with respect to this cable bushing.
  • the O-ring of the fifth static seal 70e is disposed within the flange 21a. It thus seals the flange connection to a next, external element to the outside. This is therefore an encapsulation against the external environment (and not an inner limitation of the lubricated area as with the other static seals 70a to 70d).
  • the rotary seals 72a to 72c can be designed, for example, as radial shaft sealing rings.
  • the first rotary seal device 72a is located between the fixed part 8b of the braking device and the rotating drive element 52 of the transmission. So it seals the lubricated area of the Ge gear 50 against the unlubricated area of the Bremseinrich device 8.
  • the second rotary seal 72b is located between the (static) second outer ring element 44b and the (rotating) second inner ring element. It thus seals the radial bearing 43 on the a2 side of this bearing and therefore delimits the lubricated area 75 at its axial end on the output side.
  • the third rotary seal 72c is located between the rotatable output body 40 on the one hand and the fixed housing 3 and the fixed second outer ring element 44b on the other hand. Similar to the static seal 70e, this is also a seal to the outside and not an inner limitation of the lubricated area as with the other rotary seals 72a and 72b.
  • the first radial bearing 74a is a sealed bearing, while the second radial bearing 74b is an unsealed bearing. Through the sealed bearing, the lubricated gap between tween the drive shaft 7 and the bearing shaft 45 is sealed to the motorsei term axial end al.
  • the static seals 70a to 70d, the rotary seals 72a and 72b and the sealed rotary bearing 74a achieve a completely lubricant-tight delimitation between the lubricated area 75 and the unlubricated area 76.
  • FIG. 5 shows a schematic perspective illustration of a robot arm 80 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the robot arm has seven Robotikge joints J1 to J7, which each allow a rotation about an associated axis of rotation A1 to A7. So it is a robotic arm with seven degrees of rotational freedom.
  • the "innermost" joint J1 is connected to a base 81, which serves as a superordinate mechanical measuring device.
  • the "outermost” joint J7 can, for example, carry a tool holder.
  • Each of the individual joints J1 to J7 has a local mechanical mass for the respective rotary movement, which is given by the base of the respective joint.
  • the base of the third joint J7 is denoted here by 21.
  • the robotics joints J1 to J7 is provided with a drive device according to the invention.
  • a drive device according to the invention.
  • the base 21 represents the local mechanical mass of this joint J3. This is the base of a basic holder, as was previously described in connection with FIG.
  • Inside the Ge housing 3 of the drive device 1 for this robotic joint J3 are the other components, not visible here, such as Arranged drive motor, drive shaft, braking device, gearbox and output shaft.
  • the end on the motor side is denoted by a1 and the end on the driven side is denoted by a2.
  • An end cap 82 is located at the motor-side end a1.
  • the output body (rotatable with respect to the local mechanical mass 21) merges into the base of the next robotic joint J4.
  • the axially inner disk element belonging to the basic holder 20 is identified here by the dashed line 22.
  • the braking device integrated between the drive motor 5 and the gear 50 brakes the rotational movement of the drive shaft already inside the articulated drive, with a rotational movement in this joint J3 being stopped immediately in the event of a power failure due to the design as a "normally closed” braking device especially advantageous when using the robot arm 80 in a collaborative work environment.
  • a central axis al motor-side end a2 output-side end

Abstract

The invention describes a drive device (1) for a robotic joint (J1-J7). The drive device (1) comprises: - a drive motor (5) having a drive shaft (7) which can be rotated with respect to a central axis (A); - a transmission (50) having a fixed element (51), a drive element (52), and an output element (53), the drive element (52) being connected to the drive shaft (7) of the drive motor (5) in a torque-transmitting manner; - and a braking device (8) for braking the rotational movement of the drive shaft (7), the braking device (8) being positioned axially between the drive motor (5) and the transmission (50). The invention also relates to a robotic joint (J3) comprising such a drive device (1).

Description

Beschreibung description
Antriebseinrichtung für ein Robotikgelenk Drive device for a robotic joint
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Robotikgelenk mit einem Antriebsmotor und einem Ge triebe. The present invention relates to a drive device for a robotic joint with a drive motor and a gear unit.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Roboterarme be kannt, wobei ein solcher Roboterarm typischerweise eine Mehr zahl von Robotikgelenken aufweist und jedes dieser Robotikge lenke eine Drehbewegung bezüglich eines rotatorischen Frei heitsgrades ermöglicht. Hierzu weist ein solches Robotikge lenk eine Antriebseinrichtung für eine Drehbewegung auf. Die se Drehbewegung wird dabei durch einen Antriebsmotor bewirkt, mit dem eine Antriebswelle rotierend bewegt wird. Mit einem dem Motor nachgelagerten Getriebe kann die Drehzahl verändert werden und entsprechend für die Abtriebsseite auf einen ge wünschten Wertebereich eingestellt werden. Numerous robot arms are known from the prior art, such a robot arm typically having a plurality of robotic joints and each of these Robotikge joints enables a rotational movement with respect to a rotational degree of freedom. For this purpose, such a Robotikge has a drive device for a rotary movement. The se rotary movement is brought about by a drive motor with which a drive shaft is rotated. The speed can be changed with a gear unit downstream of the motor and set accordingly to a desired range of values for the output side.
Solche herkömmlichen Roboterarme bzw. Robotikgelenke werden häufig in der industriellen Fertigung eingesetzt. Viele von ihnen sind aber nicht oder nur bedingt als kollaborative Ro boter (englisch kurz „Cobots") einsetzbar, da sie die Sicher- heitsanforderungen für die kollaborative Zusammenarbeit zwi schen Robotern und menschlichen Arbeitskräften nicht hinrei chend erfüllen. Zu diesen Sicherheitsanforderungen eines sol chen Cobots gehört unter anderem, dass eine Bewegung des Ro boterarms in einem Stör- oder Gefahrenfall möglichst instan- tan gestoppt werden kann. Um dies zu ermöglichen, kann im Be reich des Gelenkantriebs eine aktive Bremse vorgesehen sein. Solche Bremsen sind auch bei herkömmlichen (nicht kollabora- tiven) Robotern grundsätzlich bekannt. Sie sind häufig auf der Abtriebsseite eines solchen Robotikgelenks angeordnet, da durch ein Abbremsen in diesem Bereich das Robotikgelenk selbst besonders wirksam vor einer Beschädigung im Störfall geschützt wird. So ist es bei den nicht-kollaborativen Robo terarmen ein wesentliches Ziel solcher Sicherheitsvorrichtun- gen, bei einem Störfall ein In-sich-Zusammenfallen des be troffenen Roboterarms zu vermeiden und somit eine Schädigung des Arms bzw. seiner Gelenke zu verhindern. Viele herkömmli che Roboter weisen auch gar keine Bremse, sondern höchstens eine Arretierung auf, welche beispielsweise auf der Antriebs seite angeordnet sein kann und den Roboterarm nur in einer vorbestimmten stationären Position halten kann. Such conventional robotic arms or robotic joints are often used in industrial production. However, many of them cannot be used, or only to a limited extent, as collaborative robots ("cobots" for short) because they do not adequately meet the safety requirements for collaborative cooperation between robots and human workers Among other things, movement of the robot arm can be stopped as immediately as possible in the event of a fault or danger. To enable this, an active brake can be provided in the area of the articulated drive. Such brakes are also used in conventional (not collaborative They are often arranged on the output side of such a robotic joint, since braking in this area effectively protects the robotic joint itself from damage in the event of a malfunction The aim of such safety devices This means that in the event of a malfunction, the affected robot arm should not collapse and thus prevent damage to the arm or its joints. Many conventional robots also have no brake at all, but at most one lock, which can be arranged, for example, on the drive side and can only hold the robot arm in a predetermined stationary position.
Ein Nachteil der herkömmlichen Robotikantriebe mit einer sol chen aktiven Bremseinrichtung ist, dass diese Bremseinrich tung typischerweise eine hohe Eigenmasse hat und einen ver gleichsweise großen Bauraum benötigt. Dies führt zu einer un erwünschten Erhöhung von Masse und oder Bauraum des gesamten Robotikgelenks . A disadvantage of the conventional robotic drives with such an active braking device is that this braking device typically has a high intrinsic mass and requires a comparatively large installation space. This leads to an undesirable increase in mass and / or installation space of the entire robotic joint.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antriebseinrichtung für ein Robotikgelenk anzugeben, welche die genannten Nach teile überwindet. Insbesondere soll eine Antriebseinrichtung zur Verfügung gestellt werden, welche ein aktives Abbremsen der bewirkten Drehbewegung ermöglicht und dabei trotzdem eine geringe Eigenmasse und/oder eine insgesamt kompakte Ausge staltung aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Robotik gelenk mit einer solchen Antriebseinrichtung anzugeben. The object of the invention is therefore to provide a drive device for a robotic joint which overcomes the aforementioned parts. In particular, a drive device is to be made available which enables active braking of the rotational movement that has been effected and yet still has a low intrinsic mass and / or an overall compact design. Another object is to provide a robotic joint with such a drive device.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Antriebseinrichtung und das in Anspruch 15 beschriebene Robo tikgelenk gelöst. These objects are achieved by the drive device described in claim 1 and the robotic joint described in claim 15.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung ist als Antriebsein richtung für ein Robotikgelenk ausgelegt und insbesondere entsprechend für diese Anwendung dimensioniert. Sie umfasst einen Antriebsmotor mit einer Antriebswelle, die bezüglich einer zentralen Achse A drehbar ist. Sie umfasst weiterhin ein Getriebe mit einem Fest-Element, einem Antriebs-Element und einem Abtriebs-Element, wobei das Antriebs-Element dreh momentübertragend mit der Antriebswelle des Antriebsmotors verbunden ist. Sie umfasst weiterhin eine Bremseinrichtung zum Abbremsen der Drehbewegung der Antriebswelle, wobei die Bremseinrichtung axial zwischen dem Antriebsmotor und dem Ge triebe angeordnet ist. The drive device according to the invention is designed as a drive device for a robotic joint and, in particular, is dimensioned accordingly for this application. It comprises a drive motor with a drive shaft which is rotatable with respect to a central axis A. It further comprises a transmission with a fixed element, a drive element and an output element, the drive element being connected to the drive shaft of the drive motor in a torque-transmitting manner. It further comprises a braking device for braking the rotational movement of the drive shaft, wherein the Braking device is arranged axially between the drive motor and the Ge gear.
Für die gesamte Antriebseinrichtung ist durch die axiale Lage des Antriebsmotors (bezüglich des Getriebes) ein motorseiti ges axiales Ende al definiert. Das gegenüberliegende axiale Ende wird im Folgenden als abtriebsseitiges axiales Ende a2 bezeichnet, da in diesem Bereich die Drehbewegung typischer weise durch einen sich drehenden Abtriebskörper ausgeleitet wird. For the entire drive device, a motorseiti ges axial end al is defined by the axial position of the drive motor (with respect to the transmission). The opposite axial end is referred to below as the output-side axial end a2, since in this area the rotary movement is typically diverted by a rotating output body.
Der Antriebsmotor kann insbesondere ein Elektromotor sein. Dieser kann einen Rotor und einen Stator umfassen. Durch das Getriebe kann zweckmäßig eine Erhöhung oder Erniedrigung der Drehzahl zwischen der Antriebswelle des Motors und einem mit dem Abtriebs-Element verbundenen Abtriebskörper erreicht wer den. Dabei wird auch das abtriebsseitige Drehmoment verän dert. Bei den hier betrachteten Robotikantrieben wird durch das Getriebe typischerweise und allgemein vorteilhaft eine Erniedrigung der Drehzahl und eine Erhöhung des Drehmoments auf der Abtriebsseite bewirkt. Das Fest-Element des Getriebes dient allgemein zu dessen Verbindung mit der mechanischen Masse der Antriebseinrichtung. The drive motor can in particular be an electric motor. This can comprise a rotor and a stator. The transmission can expediently increase or decrease the speed between the drive shaft of the motor and an output body connected to the output element. The torque on the output side is also changed. In the case of the robotic drives considered here, the transmission typically and generally advantageously brings about a reduction in the speed and an increase in the torque on the output side. The fixed element of the transmission is generally used to connect it to the mechanical mass of the drive device.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Bremseinrichtung axial zwischen dem Antriebsmotor und dem Getriebe ermöglicht vor teilhaft, dass das Abbremsen der Drehbewegung im Bereich der vergleichsweise höheren Drehzahl und des vergleichsweise niedrigeren wirkenden Drehmoments erfolgt. Die Bremseinrich tung kann also insbesondere direkt auf die Antriebswelle und damit auf die Antriebsseite der Antriebseinrichtung einwir ken, wo sie das antriebsseitige Drehmoment abbremst. Somit kann die Bremseinrichtung für das Abbremsen eines vergleichs weise geringen Drehmoments ausgelegt werden. Wenn nur ein ge ringes Drehmoment gebremst werden muss, kann die benötigte Bremseinrichtung entsprechend klein und leicht ausgeführt werden. Hierdurch wird eine besonders kompakte und/oder be sonders leichte Ausgestaltung der gesamten Antriebseinrich- tung ermöglicht, wobei trotzdem die sicherheitsrelevante Funktion der Bremseinrichtung erfüllt ist. Die Bremseinrich tung ermöglicht es insbesondere, die Antriebseinrichtung als Antrieb in einem Robotikgelenk eines kollaborativen Roboter arms (also eines „Cobots") einzusetzen. Bei einem Stör- bzw. Gefahrenfall kann mittels der Bremseinrichtung eine für die menschlichen Mitarbeiter einer industriellen Anlage möglich erweise gefährliche Bewegung des Roboterarms sehr schnell und wirksam angehalten werden. Besonders bevorzugt ist es daher allgemein, wenn die Bremseinrichtung von einer Steuereinrich tung angesteuert wird, welcher die Ausgabewerte einer optio nalen Messeinrichtung für ein inneres Drehmoment zugeführt werden. Dann kann die Ansteuerung der Bremse abhängig von dem gemessenen Drehmoment erfolgen, was eine automatische Bestim mung eines Stör- bzw. Gefahrenzustandes ermöglicht. The arrangement according to the invention of the braking device axially between the drive motor and the gearbox enables the rotary movement to be braked in the area of the comparatively higher speed and the comparatively lower effective torque. The braking device can therefore in particular act directly on the drive shaft and thus on the drive side of the drive device, where it brakes the torque on the drive side. Thus, the braking device can be designed for braking a comparatively low torque. If only a low torque needs to be braked, the required braking device can be made correspondingly small and light. This results in a particularly compact and / or particularly light design of the entire drive device. device allows, the safety-relevant function of the braking device is still fulfilled. The braking device makes it possible in particular to use the drive device as a drive in a robotic joint of a collaborative robot arm (ie a "cobot") of the robot arm can be stopped very quickly and effectively. It is therefore particularly preferred if the braking device is controlled by a control device to which the output values of an optional measuring device for an internal torque are fed Torque take place, which enables an automatic determination of a fault or dangerous condition.
Das erfindungsgemäße Robotikgelenk weist eine erfindungsgemä ße Antriebseinrichtung auf. Die Vorteile des erfindungsgemä ßen Robotikgelenks ergeben sich analog zu den oben beschrie benen Vorteilen der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung. Zusätzlich zu der beschriebenen Antriebseinrichtung kann das Robotikgelenk weitere mechanische Elemente aufweisen, bei spielsweise ein Verbindungsglied und/oder ein Sockelelement zur Verbindung mit benachbarten Robotikgelenken eines Robo terarms. Auch ein solcher Roboterarm, welcher wenigstens ein solches Robotikgelenk aufweist, soll allgemein als erfin dungsgemäßer Gegenstand angesehen werden. Bei einem solchen Roboterarm können vorteilhaft auch mehrere (und insbesondere sogar alle) vorhandenen Robotikgelenke auf die beschriebene Weise ausgestaltet sein. The robotic joint according to the invention has a drive device according to the invention. The advantages of the robotic joint according to the invention arise analogously to the above-described advantages of the drive device according to the invention. In addition to the drive device described, the robotic joint can have further mechanical elements, for example a connecting member and / or a base element for connecting to neighboring robotic joints of a robot arm. Such a robot arm, which has at least one such robotic joint, should also generally be regarded as an object according to the invention. In the case of such a robot arm, several (and in particular even all) existing robotics joints can advantageously be configured in the manner described.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschrie benen Ausgestaltungen der Antriebseinrichtung, des Robotikge lenk und/oder des Roboterarms allgemein vorteilhaft miteinan der kombiniert werden. So kann gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform die Bremseinrichtung axial benachbart zum Antriebsmotor ange ordnet sein. Mit anderen Worten liegt die Bremseinrichtung dann also unmittelbar neben dem Antriebsmotor, sodass kein anderes funktionales Element dazwischen liegt. Ein Vorteil dieser direkt benachbarten Anordnung ist, dass hierdurch eine besonders kompakte, platzsparende Integration der Bremsein richtung in die Antriebseinrichtung ermöglicht wird. Advantageous refinements and developments of the invention emerge from the claims dependent on claim 1 and the following description. The described configurations of the drive device, the Robotikge steering and / or the robot arm can generally advantageously be combined with one another. Thus, according to a generally advantageous embodiment, the braking device can be arranged axially adjacent to the drive motor. In other words, the braking device then lies directly next to the drive motor, so that no other functional element lies in between. An advantage of this directly adjacent arrangement is that it enables a particularly compact, space-saving integration of the braking device into the drive device.
Bei einer weiteren allgemein vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Bremseinrichtung eine elektromagnetische Bremse mit wenigstens einer Bremsscheibe und wenigstens einer elek tromagnetischen Feldspule. Die wenigstens eine Bremsscheibe ist insbesondere fest und drehmomentübertragend mit der An triebswelle verbunden. Sie gehört damit zum (typischerweise) schnell drehenden Teil der Antriebseinrichtung. Die wenigs tens eine Feldspule ist insbesondere als feststehender Be standteil der Antriebseinrichtung ausgestaltet. So kann diese Feldspule (oder allgemeiner: der gesamte feststehende Teil der Bremseinrichtung) beispielsweise fest mit dem Stator des Antriebsmotors verbunden sein. In a further generally advantageous embodiment, the braking device comprises an electromagnetic brake with at least one brake disc and at least one electromagnetic field coil. The at least one brake disc is in particular connected firmly and torque-transmitting to the drive shaft. It therefore belongs to the (typically) rapidly rotating part of the drive device. The at least one field coil is designed in particular as a fixed component of the drive device. For example, this field coil (or more generally: the entire stationary part of the braking device) can be firmly connected to the stator of the drive motor.
Allgemein und unabhängig von der genauen Ausführung und dem genauen Wirkprinzip der Bremseinrichtung kann diese als Si cherheitsbremse ausgestaltet sein. Unter einer Sicherheits bremse soll dabei eine solche Bremseinrichtung verstanden werden, welche im energielosen Zustand geschlossen ist („nor- mally closed"). Wenn also bei einem Störfall die an der Feld spule anliegende Spannung bzw. der über die Feldspule flie ßende Strom auf Null abfällt, dann schließt sich die Bremse und hält die Drehbewegung an. Eine solche ausfallsichere Bremse ermöglicht ein zuverlässiges Bremsen auch bei ungüns tigen Bedingungen und Betriebsstörungen. Diese Ausführungs form ermöglicht daher einen Einsatz des entsprechenden Robo tikgelenks in sicherheitskritischen Umgebungen, z.B. in einem kollaborativen Roboter. Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform ist das Getriebe ein einstufiges Getriebe, insbesondere ein Harmonie Drive Getriebe. Ein solches Getriebe wird im Deutschen auch als Spannungswellengetriebe bezeichnet. Insbesondere kann dann das Fest-Element durch einen Circular Spline des Harmo nie Drive Getriebes gebildet sein. Das Antriebs-Element kann durch einen Wave Generator und das Abtriebs-Element kann durch einen Flex Spline dieses Getriebes gebildet sein. Ein solches Harmonie Drive Getriebe ermöglicht insbesondere die Realisierung einer Antriebseinrichtung mit einem relativ ho hen Übersetzungsverhältnis. So kann mit einem solchen Getrie be die Drehzahl zwischen Antrieb und Abtrieb beispielsweise um etwa einen Faktor 100 reduziert werden. Alternativ sind aber auch andere Ausgestaltung des Getriebes möglich, bei spielsweise als Planetengetriebe. In general and regardless of the exact design and the exact operating principle of the braking device, it can be designed as a safety brake. A safety brake should be understood to mean a braking device that is closed in the de-energized state ("normally closed"). If, in the event of a malfunction, the voltage applied to the field coil or the current flowing through the field coil drops to zero falls off, then the brake closes and the rotary movement stops. Such a fail-safe brake enables reliable braking even under unfavorable conditions and operational disruptions. This embodiment therefore enables the corresponding robotic joint to be used in safety-critical environments, e.g. in a collaborative robot. According to a generally advantageous embodiment, the transmission is a single-stage transmission, in particular a Harmonie Drive transmission. Such a transmission is also referred to in German as a stress wave transmission. In particular, the fixed element can then be formed by a circular spline of the harmonic drive transmission. The drive element can be formed by a wave generator and the output element can be formed by a flex spline of this gear. Such a Harmonie Drive transmission in particular enables the implementation of a drive device with a relatively high gear ratio. With such a gear, the speed between drive and output can be reduced by a factor of about 100, for example. Alternatively, however, other configurations of the transmission are also possible, for example as a planetary transmission.
Weiterhin ist es allgemein vorteilhaft, wenn die Antriebsein richtung eine mit dem Abtriebs-Element des Getriebes fest verbundene Lagerwelle aufweist, welche sich in axialer Rich tung zumindest über die axialen Bereiche des Antriebsmotors, der Bremseinrichtung und des Getriebes erstreckt. Diese La gerwelle kann entweder direkt oder über eine oder mehrere op tionale Zwischenelemente (beispielsweise einen Abtriebskörper und/oder ein oder mehrere Ringelemente) mit dem Abtriebs- Element des Getriebes verbunden sein. Diese Lagerwelle kann insbesondere radial innenliegend durch den Antriebsmotor, die Bremseinrichtung und das Getriebe hindurchgeführt sein. Sie dreht sich zusammen mit dem Abtriebskörper, ohne dass notwen digerweise über diese Lagerwelle ein Drehmoment ausgeleitet wird. Sie wird insbesondere deswegen als „Lagerwelle" be zeichnet, weil auf ihr die mit einer unterschiedlichen und insbesondere höheren Drehzahl drehende Antriebswelle drehbar gelagert sein kann. Dabei kann die Antriebswelle die Lager welle in einem Teilbereich ihrer Länge radial außenliegend umgeben. Die Antriebswelle kann gegenüber der Lagerwelle durch ein oder mehrere Radiallager drehbar gelagert sein. Zusätzlich zu den axialen Bereichen des Antriebsmotors, der Bremseinrichtung und des Getriebes kann sich die Lagerwelle vorteilhaft auch noch über die axialen Bereiche weiterer op tionaler Elemente erstrecken, nämlich den Bereich eines mo torseitigen Drehgebers, eines Speichenrads zur inneren Dreh moment-Messung, eines Scheibenelements eines Grundhalters, eines abtriebsseitigen Radiallagers und/oder eines abtriebs seitigen Drehgebers. Besonders vorteilhaft kann sich die La gerwelle axial über die Bereiche von allen genannten Elemen ten erstrecken. Furthermore, it is generally advantageous if the drive device has a bearing shaft fixedly connected to the output element of the transmission, which shaft extends in the axial direction at least over the axial regions of the drive motor, the braking device and the transmission. This bearing shaft can be connected to the output element of the transmission either directly or via one or more optional intermediate elements (for example an output body and / or one or more ring elements). This bearing shaft can in particular be passed radially on the inside through the drive motor, the braking device and the transmission. It rotates together with the output body without a torque necessarily being diverted via this bearing shaft. In particular, it is referred to as a "bearing shaft" because the drive shaft rotating at a different and, in particular, higher speed can be rotatably mounted on it The bearing shaft can be rotatably supported by one or more radial bearings. In addition to the axial areas of the drive motor, the braking device and the gearbox, the bearing shaft can advantageously also extend over the axial areas of other optional elements, namely the area of a motor-side rotary encoder, a spoked wheel for internal torque measurement, a disk element of a Basic holder, an output-side radial bearing and / or an output-side rotary encoder. Particularly advantageously, the La gerwelle can extend axially over the areas of all elemen mentioned.
Gemäß einer vorteilhaften Variante der Lagerwelle kann diese als Hohlwelle ausgestaltet sein, insbesondere auf ihrer ge samten axialen Länge. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist, dass dann im Inneren dieser Hohlwelle ein oder mehrere elektrische Verbindungsleitungen geführt sein können. Durch diese Verbindungsleitung(en) können beispielsweise die auf einanderfolgenden Gelenkantriebe eines Roboterarms elektrisch miteinander verbunden sein und/oder Verbindungen über die einzelnen Gelenke hinweg realisiert sein. Hierdurch kann ins besondere die elektrische Energieversorgung der einzelnen Ge lenkantriebe und/oder die Kommunikation mit den Gelenkantrie ben sichergestellt werden. Dies kann beispielsweise eine Kom munikation der Gelenkantriebe mit einer außenliegenden Steu ereinheit sein und/oder eine Kommunikation der einzelnen Ge lenke untereinander und/oder eine Kommunikation mit einer am äußersten Gelenk angeordneten Kamera und/oder eines dort an geordneten Endeffektors mit einer Steuereinheit durch die da zwischenliegenden Robotikgelenke hindurch. According to an advantageous variant of the bearing shaft, it can be designed as a hollow shaft, in particular over its entire axial length. One advantage of this embodiment variant is that one or more electrical connecting lines can then be routed inside this hollow shaft. Through this connection line (s), for example, the successive joint drives of a robot arm can be electrically connected to one another and / or connections can be implemented across the individual joints. As a result, the electrical energy supply of the individual Ge joint drives and / or communication with the joint drives can be ensured in particular. This can, for example, be communication of the articulated drives with an external control unit and / or communication of the individual joints with one another and / or communication with a camera arranged on the outermost joint and / or an end effector arranged there with a control unit by the da between the robotic joints.
So können elektrische bzw. elektronische Elemente auf beiden axialen Seiten der Antriebseinrichtung auf besonders einfache Weise miteinander verbunden werden. Vorteilhaft kann es sich um feststehende (also nicht drehende) elektrische Verbin dungsleitungen handeln. Weiterhin allgemein vorteilhaft kann der innerhalb der Lagerwelle liegende Hohlraum Teil eines un- geschmierten Teilbereichs der Antriebseinrichtung sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante kann die Antriebseinrichtung im motorseitigen Endbereich einen Drehgeber zur Bestimmung der Winkellage der Lagerwelle und/oder der Antriebswelle aufweisen. Besonders vorteilhaft wird hier die Winkellage der Antriebswelle gemessen. Hierzu ist der motorseitige Drehgeber bevorzugt stirnseitig (also axial versetzt) neben dieser angeordnet. Mit einem solchen Drehgeber kann also ein Drehwinkel beziehungsweise eine Dreh zahl des typischerweise schnell drehenden Antriebs bestimmt werden. Gemäß einer weiteren Alternative kann der motorseiti ge Drehgeber aber auch zur Messung der Winkellage der Lager welle ausgestaltet sein. Alternativ können im motorseitigen Endbereich auch zwei Drehgeber vorliegen, von denen einer zur Messung der Winkellage der Lagerwelle und einer zur Messung der Winkellage der Antriebswelle ausgestaltet ist. Der bzw. die motorseitige(n) Drehgeber kann/können besonders vorteil haft in axialer Richtung zwischen dem Antriebsmotor und einer optional vorliegenden Steuereinrichtung angeordnet sein. In this way, electrical or electronic elements can be connected to one another in a particularly simple manner on both axial sides of the drive device. It can advantageously be fixed (that is, non-rotating) electrical connection lines. Furthermore, the cavity lying within the bearing shaft can generally advantageously be part of an unlubricated partial area of the drive device. According to a further advantageous embodiment variant, the drive device can have a rotary encoder in the motor-side end region for determining the angular position of the bearing shaft and / or the drive shaft. The angular position of the drive shaft is particularly advantageously measured here. For this purpose, the rotary encoder on the motor side is preferably arranged on the front side (that is to say axially offset) next to it. With such a rotary encoder, an angle of rotation or a speed of the typically rapidly rotating drive can be determined. According to a further alternative, the motor-side encoder can also be designed to measure the angular position of the bearing shaft. Alternatively, there can also be two rotary encoders in the motor-side end area, one of which is designed to measure the angular position of the bearing shaft and one of which is designed to measure the angular position of the drive shaft. The rotary encoder (s) on the motor side can be arranged particularly advantageously in the axial direction between the drive motor and an optionally present control device.
Allgemein und unabhängig von dem Vorhandensein einer Lager welle und/oder eines Drehgeber ist es vorteilhaft, wenn die Antriebseinrichtung eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Antriebsmotors und/oder der Bremseinrichtung umfasst. Diese Steuereinrichtung kann besonders vorteilhaft im motorseitigen Endbereich der Antriebseinrichtung angeordnet sein. Sie kann beispielsweise eine Steuerplatine, einen oder mehrere Umrich ter, ein oder mehrere Ausleseelemente des wenigstens einen Drehgebers und/oder eine Kommunikationsschnittstelle umfas sen. Es kann sich also mit anderen Worten um eine zentrale Steuereinrichtung der Antriebseinrichtung handeln. Generally and independently of the presence of a bearing shaft and / or a rotary encoder, it is advantageous if the drive device comprises a control device for controlling the drive motor and / or the braking device. This control device can be arranged particularly advantageously in the motor-side end region of the drive device. For example, it can comprise a control board, one or more converters, one or more readout elements of the at least one rotary encoder and / or a communication interface. In other words, it can be a central control device of the drive device.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Antriebsein richtung im abtriebsseitigen Endbereich der Lagerwelle einen Drehgeber zur Bestimmung der Winkellage der Lagerwelle umfas sen. Dieser abtriebsseitige Drehgeber kann alternativ oder zusätzlich zu dem beschriebenen motorseitigen Drehgeber vor liegen. Wenn insgesamt mehrere Drehgeber vorliegen, hat dies den Vorteil, dass durch eine Interpolation der Signale der beiden Drehgeber eine erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung der insgesamt vorliegenden Winkellage der Antriebseinrichtung erreicht werden kann. According to a further embodiment, the drive device can include a rotary encoder in the output-side end region of the bearing shaft for determining the angular position of the bearing shaft. This output-side rotary encoder can be present as an alternative or in addition to the described motor-side rotary encoder. If there are a total of several rotary encoders, this has the advantage that, by interpolating the signals, the With both rotary encoders, increased accuracy can be achieved in determining the overall angular position of the drive device.
Die axiale Position des optionalen abtriebsseitigen Drehge bers kann besonders vorteilhaft zwischen einem Radiallager zur Lagerung der Lagerwelle und dem abtriebsseitigen axialen Endbereich der Antriebseinrichtung liegen. Das genannte Radi allager ist dabei insbesondere zur drehbaren Lagerung der La gerwelle gegen den feststehenden Teil der Antriebseinrichtung vorgesehen. Die beschriebenen endständigen Positionen der beiden Drehgeber ermöglichen vorteilhaft eine Winkelmessung nahe den axialen Enden der Lagerwelle. The axial position of the optional output-side rotary encoder can particularly advantageously lie between a radial bearing for mounting the bearing shaft and the output-side axial end region of the drive device. Said Radi allager is provided in particular for the rotatable mounting of the La gerwelle against the stationary part of the drive device. The described terminal positions of the two rotary encoders advantageously enable an angle measurement near the axial ends of the bearing shaft.
Allgemein vorteilhaft und unabhängig von dem Vorliegen einer Lagerwelle kann die Antriebseinrichtung einen Abtriebskörper aufweisen, der durch ein abtriebsseitiges Radiallager drehbar gelagert ist. Unter „abtriebsseitig" soll in diesem Zusammen hang verstanden werden, dass dieses Radiallager auf der dem Antriebsmotor abgewandten Seite des Getriebes angeordnet ist. Ein solcher Abtriebskörper kann auch aus mehreren Elementen zusammengesetzt sein. Er kann neben einem Abtriebsflansch eine oder mehrere optionale Ringelemente aufweisen und insbe sondere drehmomentübertragend mit der axial innenliegenden Lagerwelle verbunden sein. Bei dieser Ausführungsvariante ist dann die Lagerwelle zusammen mit dem Abtriebskörper über die ses Radiallager gelagert. Generally advantageously and independently of the presence of a bearing shaft, the drive device can have an output body which is rotatably supported by a radial bearing on the output side. In this context, "on the output side" should be understood to mean that this radial bearing is arranged on the side of the transmission facing away from the drive motor. Such an output body can also be composed of several elements In this variant, the bearing shaft is supported together with the output body via this radial bearing.
Das Radiallager des Abtriebskörpers ist vorteilhaft ein Wälz lager, insbesondere ein Rollenlager und besonders vorteilhaft ein Kreuzrollenlager. Der Abtriebskörper kann insbesondere als Hohlwelle ausgebildet sein, wobei dann durch den Innen raum der Hohlwelle weitere Elemente geführt werden können, beispielsweise ein oder mehrere elektrische Verbindungslei tungen. Auch der feststehende Teil einer solchen Lagerung kann durch ein oder mehrere Ringelemente gegeben sein. Dabei handelt es sich bei den drehbaren Ringelementen des Abtriebs körpers vorteilhaft um radial innenliegende Ringe, und bei den Ringelementen des feststehenden Teils handelt es sich vorteilhaft um radial außenliegende Ringe. The radial bearing of the output body is advantageously a roller bearing, in particular a roller bearing and particularly advantageously a crossed roller bearing. The output body can in particular be designed as a hollow shaft, in which case further elements can then be passed through the interior of the hollow shaft, for example one or more electrical connection lines. The fixed part of such a bearing can also be provided by one or more ring elements. The rotatable ring elements of the output body are advantageously radially inner rings, and in the ring elements of the stationary part are advantageously radially outer rings.
Allgemein vorteilhaft kann die Antriebseinrichtung einen Grundhalter zur Verbindung mit einer äußeren mechanischen Masse aufweisen. Unter der mechanischen Masse wird dabei der mechanische Bezugspunkt für die Antriebsbewegung verstanden. Beispielsweise kann dies ein Sockel eines Robotikgelenks sein. Für ein weiter außenliegendes Gelenk kann der mechani sche Bezugspunkt auch ein Abtrieb eines benachbarten Gelenks sein oder ein mit einem solchen Abtrieb verbundenes Verbin dungselement. In jedem Fall dient der Grundhalter als innerer mechanischer Bezugspunkt für die Antriebseinrichtung, relativ zu dem sich ein Abtriebskörper dreht. Generally advantageously, the drive device can have a base holder for connection to an external mechanical mass. The mechanical mass is understood to be the mechanical reference point for the drive movement. For example, this can be a base of a robotic joint. For a joint further out, the mechanical reference point can also be an output of an adjacent joint or a connec tion element connected to such an output. In any case, the base holder serves as an internal mechanical reference point for the drive device, relative to which an output body rotates.
Dieser Grundhalter kann vorteilhaft ein Scheibenelement auf weisen, welches senkrecht zur zentralen Achse ausgerichtet ist. Dieses Scheibenelement kann insbesondere axial zwischen dem Getriebe und dem abtriebsseitigen Radiallager angeordnet sein. Es kann also als innenliegende mechanischer Bezugspunkt dienen und dabei gleichzeitig die Antriebseinrichtung axial in einen motorseitigen Bereich und einen abtriebsseitigen Be reich aufteilen. Das Scheibenelement kann weiterhin mit einem Teil einer Messvorrichtung zur Messung eines inneren Drehmo ments der Antriebseinrichtung verbunden sein, insbesondere mit einem Speichenrad. This basic holder can advantageously have a disk element which is oriented perpendicular to the central axis. This disk element can in particular be arranged axially between the transmission and the radial bearing on the output side. It can therefore serve as an internal mechanical reference point and at the same time divide the drive device axially into an area on the engine side and an area on the output side. The disk element can also be connected to part of a measuring device for measuring an internal torque of the drive device, in particular to a spoked wheel.
Bei den Ausführungsformen mit einem Grundhalter kann dieser einen Sockel mit einem Flansch zur Verbindung mit einem äuße ren Bauelement aufweisen. Dieses äußere Bauelement kann bei spielsweise eine Basis eines Roboterarms oder auch ein weiter innenliegendes (rümpfseitiges) Robotikgelenk oder ein weiter außenliegendes (werkzeugseitiges) Robotikgelenk des Roboter arms sein. Bei einer ersten allgemein vorteilhaften Ausfüh rungsform kann der Flansch eine Flanschachse aufweisen, wel che senkrecht zur zentralen Achse der Antriebseinrichtung liegt. Mit anderen Worten wird dann ein 90° Winkel zwischen der Verbindungsachse und der Drehachse des zugehörigen Robo- tikgelenks gebildet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Flansch jedoch auch eine Flanschachse aufweisen, welche im Wesentlichen parallel zur zentralen Achse der An triebseinrichtung liegt. Es handelt sich dann also um eine koaxiale Anordnung der Verbindungsachse und der Drehachse. In the embodiments with a base holder, this can have a base with a flange for connection to an external component. This outer component can, for example, be a base of a robot arm or also a further inside (trunk-side) robotics joint or a further outside (tool-side) robotics joint of the robot arm. In a first generally advantageous embodiment, the flange can have a flange axis which is perpendicular to the central axis of the drive device. In other words, a 90 ° angle is then created between the connection axis and the axis of rotation of the associated robot tic joint formed. According to an alternative embodiment, however, the flange can also have a flange axis which is essentially parallel to the central axis of the drive device. It is then a coaxial arrangement of the connecting axis and the axis of rotation.
Allgemein vorteilhaft kann die Antriebseinrichtung eine Mess vorrichtung zur Messung eines innerhalb der Antriebseinrich tung wirkenden Drehmoments umfassen. Als wesentlichen Be standteil kann diese Messvorrichtung ein Speichenrad aufwei sen. Dabei wird über eine Verformung der Speichen das über dieses Speichenrad übertragene Drehmoment gemessen. Bei die sem Drehmoment kann es sich insbesondere um ein Getriebeab- stützmoment handeln. Diese Art der inneren Drehmomentmessung ist detailliert in der am selben Anmeldetag von derselben An melderin eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel „An triebseinrichtung, Roboterarm und Verfahren zur Drehmoment messung" beschrieben, welche daher in den Inhalt der vorlie genden Anmeldung einbezogen sein soll. Generally advantageously, the drive device can comprise a measuring device for measuring a torque acting within the drive device. This measuring device can have a spoked wheel as an essential component. The torque transmitted via this spoke wheel is measured by deforming the spokes. This torque can in particular be a transmission support torque. This type of internal torque measurement is described in detail in the patent application filed on the same filing date by the same applicant as "To drive device, robot arm and method for measuring torque", which should therefore be included in the content of the present application.
Allgemein vorteilhaft kann die Antriebseinrichtung einen ge schmierten und einen ungeschmierten Teilbereich aufweisen. Dabei können diese beiden Teilbereiche durch ein oder mehrere Dichtelemente getrennt sein, insbesondere durch Generally advantageously, the drive device can have a lubricated and an unlubricated sub-area. These two partial areas can be separated by one or more sealing elements, in particular by
- wenigstens eine statische Dichtung, - at least one static seal,
- wenigstens eine Drehdichtung - at least one rotary seal
- und/oder wenigstens ein gedichtetes Radiallager. - And / or at least one sealed radial bearing.
Vorteilhaft können die beiden Teilbereiche durch mehrere sol che Dichtelemente, insbesondere durch ein oder mehrere von allen drei genannten Typen von Dichtelementen gegeneinander abgedichtet sein. Unter einer statischen Dichtung soll dabei eine schmiermittel-dichte Verbindung zweier feststehender Elemente verstanden werden. Unter einer Drehdichtung soll eine schmiermittel-dichte Abdichtung zweier zueinander rotie render Elemente verstanden werden (ohne dass diese in ein Drehlager integriert sind). Unter einem gedichteten Radialla ger soll ein Radiallager verstanden werden, durch welches ne- ben der mechanischen Lagerung eine fluiddichte Abdichtung der beiden zueinander rotierbaren Elemente gegeben ist. The two partial areas can advantageously be sealed from one another by several such sealing elements, in particular by one or more of all three types of sealing elements mentioned. A static seal should be understood to mean a lubricant-tight connection between two stationary elements. A rotary seal is to be understood as a lubricant-tight seal between two elements rotating relative to one another (without these being integrated into a rotary bearing). A sealed radial bearing should be understood to mean a radial bearing through which ben the mechanical mounting, a fluid-tight seal between the two rotatable elements is given.
Der ungeschmierte Teilbereich kann dabei vorteilhaft ein oder mehrere besonders sensible Bereiche der Antriebseinrichtung umfassen. Ein solcher besonders sensibler Bereich ist bei spielsweise der Bereich des Rotors und des Stators des An triebsmotors und/oder der Bereich der Bremseinrichtung. Wei terhin sind dies die Bereiche der folgenden optional vorlie genden Elemente: einer Steuerungseinrichtung, eines motorsei tigen und/oder abtriebsseitigen Drehgebers sowie der Bereich einer axial innenliegend geführten elektrischen Leitung. Be vorzugt umfasst der ungeschmierte Teilbereich die Bereiche von mehreren (und insbesondere sogar allen) der genannten be sonders sensiblen Elemente. Vorteilhaft sind diese sensiblen Elemente durch ein oder mehrere feuchtigkeits- und staubdich te Dichtungen vor den Einflüssen der äußeren Umgebung ge schützt. The unlubricated sub-area can advantageously include one or more particularly sensitive areas of the drive device. Such a particularly sensitive area is, for example, the area of the rotor and the stator of the drive motor and / or the area of the braking device. Furthermore, these are the areas of the following optionally present lowing elements: a control device, a motor-side and / or output-side rotary encoder and the area of an axially internally guided electrical line. The unlubricated partial area preferably comprises the areas of several (and in particular even all) of the particularly sensitive elements mentioned. These sensitive elements are advantageously protected from the influences of the external environment by one or more moisture and dustproof seals.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: The invention is described below on the basis of a few preferred exemplary embodiments with reference to the attached drawings, in which:
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt einer Antriebsein richtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt, Figure 1 shows a schematic longitudinal section of a drive device according to a first example of the invention,
Figur 2 einen Längsschnitt einer Antriebseinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, Figure 2 shows a longitudinal section of a drive device according to a second embodiment,
Figur 3 eine Explosionszeichnung einer ähnlichen Antriebsein richtung zeigt, Figure 3 shows an exploded view of a similar drive mechanism,
Figur 4 verschiedene Teilbereiche für die Antriebseinrichtung der Figur 2 verdeutlicht und FIG. 4 illustrates various partial areas for the drive device of FIG. 2 and
Figur 5 eine schematische perspektivische Darstellung eines Roboterarms zeigt. FIG. 5 shows a schematic perspective illustration of a robot arm.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Figur 1 ist eine Antriebseinrichtung 1 nach einem ersten Beispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein schematischer Längsschnitt entlang der zentralen Achse A. Die Antriebsein richtung 1 umfasst ein Antriebsgehäuse 3, dessen radial be grenzende Wand durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Das Antriebsgehäuse 3 umschließt einen Antriebsmotor 5, ein Getriebe 50, eine Bremseinrichtung 8 und weitere, teils opti onale Komponenten. Es handelt sich also um eine hochinte grierte Antriebsvorrichtung, welche hier vergleichsweise kom pakt ausgebildet ist. Das von dem Antriebsmotor 5 erzeugte Drehmoment wird über eine Antriebswelle 7 ausgeleitet und auf ein Antriebs-Element 52 des Getriebes 50 übertragen. Die An triebswelle 7 ist bezüglich der zentralen Achse A der An triebseinrichtung 1 drehbar angeordnet. Insgesamt weist die Antriebseinrichtung 1 ein motorseitige axiales Ende al und ein abtriebsseitiges axiales Ende a2 auf. Identical or functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the figures. In Figure 1, a drive device 1 is shown according to a first example of the invention. Shown is a schematic longitudinal section along the central axis A. The drive device 1 comprises a drive housing 3, the radially delimiting wall is shown by a dashed line. The drive housing 3 encloses a drive motor 5, a gear 50, a braking device 8 and other, partly optional components. It is therefore a highly integrated drive device, which is here comparatively compact. The torque generated by the drive motor 5 is diverted via a drive shaft 7 and transmitted to a drive element 52 of the transmission 50. The drive shaft 7 is rotatably arranged with respect to the central axis A of the drive device 1. Overall, the drive device 1 has an axial end a1 on the engine side and an axial end a2 on the output side.
Der Antriebsmotor 5 umfasst einen feststehenden Stator 5a und einen hierzu drehbar gelagerten Rotor 5b. Der feststehende Stator 5a ist dabei fest mit dem Gehäuse 3 verbunden. Allge mein sind die feststehenden Teile in Figur 1 ohne Schraffur dargestellt. Die mit der Geschwindigkeit des Rotors 5b rotie renden Teile sind dagegen eng schraffiert dargestellt, und die mit der (insbesondere langsameren) Geschwindigkeit des Abtriebs-Elements 53 des Getriebes 50 rotierenden Teile sind breiter schraffiert dargestellt. The drive motor 5 comprises a stationary stator 5a and a rotor 5b rotatably mounted for this purpose. The stationary stator 5a is firmly connected to the housing 3. In general, the fixed parts are shown in Figure 1 without hatching. The parts rotating at the speed of the rotor 5b, however, are shown with close hatching, and the parts rotating at the (in particular slower) speed of the output element 53 of the transmission 50 are shown with wider hatching.
Die Bremseinrichtung 8 ist axial zwischen dem Antriebsmotor 5 und dem Getriebe 50 angeordnet. Sie ist hier insbesondere axial direkt benachbart zum Antriebsmotor 5 angeordnet, so- dass sich zwischen dem Antriebsmotor 5 und der Bremseinrich tung 8 kein weiteres funktionales Element befindet (abgesehen von der verbindenden, drehmomentübertragenden Antriebswelle 7, welche aber radial weiter innen liegt als die Elemente 5 und 8 und daher nicht unmittelbar dazwischen liegt). Die Bremseinrichtung 8 ist hier als elektromagnetische Bremsein richtung ausgebildet. Sie umfasst eine mit der Geschwindig keit des Rotors 5b drehende und an der Antriebswelle 7 befes- tigte Bremsscheibe 8a. Sie umfasst außerdem einen feststehen den Teil 8b, in welchen eine elektromagnetische Feldspule 8c integriert ist. Dieser feststehende Teil 8b der Bremseinrich tung umgibt die Antriebswelle 7 radial. Wenn die Feldspule 8c unbestromt ist, ist die Bremse z.B. über ein Federelement ge schlossen und die Drehung der Antriebswelle 7 wird verhin dert. Es handelt sich also um eine Sicherheitsbremse. Das Schließen der Bremse kann beispielsweise durch einen reiben den Kontakt zwischen der Bremsscheibe 8a und einem weiteren, hier nicht näher dargestellten Teilelement des feststehenden Teils 8b bewirkt werden. Dieser reibende Kontakt mit der Bremsscheibe kann dabei prinzipiell ein einseitiger oder auch ein beidseitiger mechanischer Kontakt eines solchen festste henden Bremselements mit der Bremsscheibe sein. Bei einer ge eigneten Bestromung der Feldspule 8c wird dagegen dieser rei bende Kontakt geschwächt oder sogar ganz aufgehoben, sodass im bestromten Zustand eine Drehung der Abtriebswelle 7 ermög licht wird. The braking device 8 is arranged axially between the drive motor 5 and the transmission 50. In particular, it is arranged axially directly adjacent to the drive motor 5, so that there is no further functional element between the drive motor 5 and the braking device 8 (apart from the connecting, torque-transmitting drive shaft 7, which, however, is located radially further inward than the elements 5 and 8 and therefore not immediately in between). The braking device 8 is designed here as an electromagnetic Bremsein direction. It comprises a rotating with the speed of the rotor 5b and attached to the drive shaft 7 activated brake disc 8a. It also comprises a fixed part 8b in which an electromagnetic field coil 8c is integrated. This fixed part 8b of the Bremseinrich device surrounds the drive shaft 7 radially. When the field coil 8c is de-energized, the brake is closed, for example via a spring element, and the rotation of the drive shaft 7 is prevented. So it is a safety brake. The closing of the brake can be brought about, for example, by rubbing the contact between the brake disc 8a and a further sub-element of the stationary part 8b, not shown in detail here. This frictional contact with the brake disc can in principle be one-sided or two-sided mechanical contact of such a fixed braking element with the brake disc. With a suitable energization of the field coil 8c, however, this friction contact is weakened or even completely canceled, so that rotation of the output shaft 7 is made possible in the energized state.
Das Getriebe 50 umfasst als wesentliche Bestandteile neben dem Antriebs-Element 52 auch ein Abtriebs-Element 53 und ein Fest-Element 51. Im gezeigten Beispiel ist das Getriebe 50 als Harmonie Drive Getriebe ausgestaltet, wobei das Antriebs- Element 52 den Wave Generator, das Abtriebs-Element 53 den Flex Spline und das Fest-Element 51 den Circular Spline die ses Getriebes bildet. Der Flex Spline umfasst dabei ein büch senartig geformtes Teilelement 53a, welches drehmomentüber tragend mit einem Abtriebskörper 40 verbunden ist. Dieser Ab triebskörper 40 ist hier als rotationssymmetrische Abtriebs welle gezeigt, mit einem zur Abtriebsseite a2 vergrößerten Durchmesser. In diesem Bereich kann auch ein Flansch zur Ver bindung mit einem äußeren, zu drehenden Element vorgesehen sein. In addition to the drive element 52, the gear 50 also includes an output element 53 and a fixed element 51 as essential components. In the example shown, the gear 50 is designed as a harmony drive gear, the drive element 52 being the wave generator, the Output element 53 forms the flex spline and the fixed element 51 forms the circular spline of this gear. The flex spline here comprises a bushing-like shaped sub-element 53a, which is connected to an output body 40 to transmit torque. From this drive body 40 is shown here as a rotationally symmetrical output shaft, with an enlarged diameter towards the output side a2. In this area, a flange for connection to an outer element to be rotated can also be provided.
Der Abtriebskörpers 40 ist hier mittels eines Radiallagers 43 gegen die hier nicht näher dargestellten, außenliegenden Fest-Elemente der Antriebseinrichtung drehbar gelagert, wobei diese Fest-Elemente zusammenfassend mit 44 bezeichnet sind. Bei dem Radiallager 43 kann es sich beispielsweise um ein Kreuzrollenlager handeln. Das Radiallager 43 kann allgemein vorteilhaft auf einem vergleichsweise großen Radius liegen.The output body 40 is rotatably mounted here by means of a radial bearing 43 against the external fixed elements of the drive device, which are not shown in detail here, these fixed elements being collectively denoted by 44. The radial bearing 43 can be, for example, a crossed roller bearing. The radial bearing 43 can generally advantageously lie on a comparatively large radius.
Es kann neben der radialen Lagerung auch zur axialen Lagerung dienen. In addition to radial mounting, it can also be used for axial mounting.
Der Abtriebskörper 40 ist beim Beispiel der Figur 1 fest und drehmomentübertragend mit einer Lagerwelle 45 verbunden. Die se Lagerwelle ist als eine im Verhältnis zum Antriebsmotor 5, zur Bremseinrichtung 8 und zum Getriebe 50 radial innenlie gende Hohlwelle ausgestaltet. In axialer Richtung erstreckt sich diese Lagerwelle 45 zumindest über die Bereiche des An triebsmotors 5, der Bremseinrichtung 8 und des Getriebes 50. In ihrem Innenraum können ein oder mehrere hier nicht näher dargestellte elektrische Verbindungsleitungen und andere op tionale Elemente geführt werden. Die Bezeichnung „Lagerwelle" rührt daher, dass die im Verhältnis zu ihr mit einer anderen Geschwindigkeit (und insbesondere schneller) drehende An triebswelle 7 über ein oder mehrere Radiallager 74 auf dieser Lagerwelle drehbar gelagert ist. In the example of FIG. 1, the output body 40 is connected to a bearing shaft 45 in a fixed and torque-transmitting manner. The se bearing shaft is designed as a in relation to the drive motor 5, to the braking device 8 and to the gear 50 radially inwardly lowing hollow shaft. In the axial direction, this bearing shaft 45 extends at least over the areas of the drive motor 5, the braking device 8 and the gear 50. One or more electrical connection lines (not shown here) and other optional elements can be routed in its interior. The term "bearing shaft" comes from the fact that the drive shaft 7, which rotates at a different speed (and in particular faster) in relation to it, is rotatably mounted on this bearing shaft via one or more radial bearings 74.
In diesem Beispiel umgibt also die Antriebswelle 7 die Lager welle 45 radial und konzentrisch und ist auf dieser im motor seitigen Bereich al drehbar gelagert abgestützt. Die drehbar gelagerte Abstützung am gegenüberliegenden Ende der Antriebs welle ergibt sich durch die hier nicht näher dargestellte La gerung innerhalb des Getriebes 50. Zur Bestimmung der Winkel lagen weist die Antriebseinrichtung 1 im vorliegenden Bei spiel zwei Drehgeber 48 und 49 auf. Diese beiden Drehgeber sind jedoch allgemein optional, und es würde prinzipiell auch ein solcher Drehgeber zur Bestimmung der Winkellagen ausrei chen. Sowohl der motorseitige Drehgeber 48 als auch der ab triebsseitige Drehgeber 49 sind hier mit den feststehenden Teilen der Antriebseinrichtung verbunden. Der motorseitige Drehgeber 48 ist stirnseitig benachbart zur schnell drehenden Antriebswelle 7 angeordnet und misst deren Winkellage. Der abtriebsseitige Drehgeber 49 ist stirnseitig benachbart zur langsam drehenden Lagerwelle 45 angeordnet und misst deren Winkellage. Aus der Kombination und insbesondere der Interpo lation der beiden Messwerte der Drehgeber 48 und 49 kann der Gesamtzustand des Systems bezüglich der Winkellagen besonders genau bestimmt werden. In this example, the drive shaft 7 surrounds the bearing shaft 45 radially and concentrically and is supported rotatably on this in the motor-side area al. The rotatably mounted support at the opposite end of the drive shaft results from the bearing within the transmission 50, not shown here. However, these two rotary encoders are generally optional, and in principle such a rotary encoder would also suffice to determine the angular positions. Both the motor-side encoder 48 and the drive-side encoder 49 are connected here to the stationary parts of the drive device. The motor-side rotary encoder 48 is arranged on the front side adjacent to the rapidly rotating drive shaft 7 and measures its angular position. The output-side rotary encoder 49 is arranged on the front side adjacent to the slowly rotating bearing shaft 45 and measures it Angular position. From the combination and in particular the interpolation of the two measured values of the rotary encoders 48 and 49, the overall state of the system with regard to the angular positions can be determined particularly precisely.
In Figur 1 sind der Übersicht halber nur die wesentlichen feststehenden, schnell drehenden und langsam drehenden Ele mente der Antriebseinrichtung 1 des ersten Ausführungsbei spiels dargestellt. Die Antriebseinrichtung kann dabei noch weitere optionale Elemente umfassen, und die gezeigten Ele mente können insbesondere in axialer Richtung wesentlich kom pakter ineinander verschachtelt sein. Dies beides wird durch Figur 2 verdeutlicht, in welcher eine ähnliche Antriebsein richtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischem Längsschnitt gezeigt ist. In Figure 1, for the sake of clarity, only the essential fixed, rapidly rotating and slowly rotating elements of the drive device 1 of the first Ausführungsbei are shown game. The drive device can also comprise further optional elements, and the elements shown can be nested in one another in a much more compact manner, in particular in the axial direction. Both of these are illustrated by FIG. 2, in which a similar drive device according to a second exemplary embodiment of the invention is shown in a schematic longitudinal section.
Die Antriebseinrichtung 1 der Figur 2 weist die gleichen we sentlichen Kern-Komponenten auf, welche bereits im Zusammen hang mit der vereinfachten Figur 1 beschrieben wurden. Das radial begrenzende Gehäuse 3 wurde dabei nur der Übersicht lichkeit halber in Figur 2 weggelassen. Die geometrische Aus formung der einzelnen bereits beschriebenen Elemente ist hier detaillierter dargestellt, und es sind weitere optionale Ele mente gezeigt. The drive device 1 of FIG. 2 has the same essential core components that have already been described in connection with the simplified FIG. The radially delimiting housing 3 has only been omitted from FIG. 2 for the sake of clarity. The geometric shape of the individual elements already described is shown in more detail here, and further optional elements are shown.
So weist die Antriebseinrichtung 1 im motorseitigen Endbe reich al eine Steuereinrichtung 25 auf, mittels welcher der Antriebsmotor 5 und optional auch die Bremseinrichtung 8 an gesteuert werden können. Die Steuereinrichtung 25 kann hierzu eine senkrecht zur Achse A ausgerichtete Steuerplatine und eine Mehrzahl von darauf angeordneten elektronischen Bauele menten umfassen. Dies können beispielsweise ein oder mehrere Umrichter oder andere Elemente der Leistungselektronik sein sowie optional ein oder mehrere Ausleseelemente für die Dreh geber 48 bzw. 49 und/oder eine Kommunikationsschnittstelle und/oder eine Regelungsbaugruppe zur Regelung von Kenngrößen wie Strom, Drehmoment, Drehzahl bzw. Position. Die Antriebseinrichtung 1 umfasst außerdem einen Grundhalter 20, welcher insbesondere zur Verbindung mit einer äußeren me chanischen Masse ausgelegt ist. Dieser Grundhalter 20 bildet also eine Art mechanischen Referenzkörper der Antriebsein richtung 1, gegen den die übrigen Elemente abgestützt sind. Thus, the drive device 1 in the end region on the motor side has a control device 25, by means of which the drive motor 5 and optionally also the braking device 8 can be controlled. For this purpose, the control device 25 can comprise a control board aligned perpendicular to the axis A and a plurality of electronic compo elements arranged thereon. This can be, for example, one or more converters or other power electronics elements and optionally one or more readout elements for the rotary encoder 48 or 49 and / or a communication interface and / or a control module for controlling parameters such as current, torque, speed or position . The drive device 1 also includes a base holder 20, which is designed in particular for connection to an external mechanical mass. This basic holder 20 thus forms a kind of mechanical reference body of the drive device 1, against which the other elements are supported.
50 ist beispielsweise auch der Antriebsmotor 5 über ein Ab stützelement 9 mechanisch gegen einen Sockel 21 dieses Grund halters abgestützt. Dieser Sockel 21 liegt in einem radial äußeren Bereich der gesamten Antriebseinrichtung 1 und ist zur Verbindung mit außenliegenden Elementen ausgestaltet, beispielsweise über einen Flansch 21a. Die Flanschachse B dieses Flanschs steht dabei im gezeigten Beispiel senkrecht zur Rotationsachse A. 50, for example, the drive motor 5 is supported mechanically against a base 21 of this basic holder via a support element 9 from. This base 21 lies in a radially outer region of the entire drive device 1 and is designed for connection to external elements, for example via a flange 21a. In the example shown, the flange axis B of this flange is perpendicular to the axis of rotation A.
Die Antriebseinrichtung 1 umfasst auch eine Messvorrichtung zur Messung eines innerhalb der Antriebseinrichtung wirkenden Drehmoments. Einen wesentlichen Teil dieser Messvorrichtung bildet ein Speichenrad 31. Dieses Speichenrad 31 ist zur Übertragung eines Drehmoments zwischen einem radial inneren und einem radial äußeren Bereich ausgebildet. Das durch das Speichenrad übertragene Drehmoment ist die Größe, welche durch die Messvorrichtung gemessen wird. Es handelt sich da bei im vorliegenden Beispiel um ein Abstützmoment des Getrie bes 50 gegen den Grundhalter 20. Um die Messung dieser Größe zu ermöglichen, ist der radial äußere Bereich des Speichen- rads 31 fest und drehmomentübertragend mit dem Fest-ElementThe drive device 1 also comprises a measuring device for measuring a torque acting within the drive device. A spoked wheel 31 forms an essential part of this measuring device. This spoked wheel 31 is designed to transmit a torque between a radially inner and a radially outer area. The torque transmitted by the spoked wheel is the quantity that is measured by the measuring device. In the present example, it is a support torque of the gear 50 against the base holder 20. In order to enable this variable to be measured, the radially outer area of the spoke wheel 31 is fixed and transmits torque with the fixed element
51 des Getriebes 50 verbunden. Außerdem ist der radial innere Bereich des Speichenrads 31 fest und drehmomentübertragend mit dem Grundhalter 20 verbunden. Um die feste Verbindung mit dem radial inneren Teil des Speichenrads 31 zu ermöglichen, weist der Grundhalter in diesem Beispiel ein Scheibenelement 22 auf, welches senkrecht zur zentralen Achse A ausgerichtet ist. Das Prinzip dieser Drehmoment-Messung ist ausführlich in der bereits oben zitierten parallelen Anmeldung mit dem Titel „Antriebseinrichtung, Roboterarm und Verfahren zur Drehmo mentmessung" beschrieben. Die Lagerung des Abtriebskörpers 40 gegen die feststehenden Teile erfolgt auch hier über das bereits allgemein beschrie bene Radiallager 43. Das Fest-Element des Radiallagers ist hier aus zwei einzelnen ringförmigen Elementen zusammenge setzt: Dem ersten äußeren Ringelement 44a und dem zweiten äußeren Ringelement 44b. Diese beiden Ringelemente 44a und 44b sind bezüglich des Radiallagers 43 radial außenliegend angeordnet. Auch der innere Lager-Partner dieses Radiallagers ist wiederum aus zwei ringförmigen Elementen zusammengesetzt: dem ersten inneren Ringelement 41a und dem zweiten inneren Ringelement 41b. Diese beiden Ringelemente 41a und 41b sind fest und drehmomentübertragend mit dem Abtriebskörper 40 und dem Abtriebs-Element 53 des Getriebes verbunden. Die Verbin dung dieser abtriebsseitigen, vergleichsweise langsam drehen den Elemente untereinander wird dabei durch einen getriebe seitigen Mutternring 54 und eine darin eingeschraubte lange Schraube 55 vermittelt. 51 of the transmission 50 connected. In addition, the radially inner area of the spoked wheel 31 is firmly connected to the base holder 20 in a torque-transmitting manner. In order to enable the fixed connection with the radially inner part of the spoke wheel 31, the base holder in this example has a disk element 22 which is oriented perpendicular to the central axis A. The principle of this torque measurement is described in detail in the parallel application already cited above with the title "Drive device, robot arm and method for torque measurement". The bearing of the output body 40 against the stationary parts takes place via the already generally described radial bearing 43. The fixed element of the radial bearing is composed of two individual ring-shaped elements: the first outer ring element 44a and the second outer ring element 44b. These two ring elements 44a and 44b are arranged radially on the outside with respect to the radial bearing 43. The inner bearing partner of this radial bearing is again composed of two ring-shaped elements: the first inner ring element 41a and the second inner ring element 41b. These two ring elements 41a and 41b are firmly and torque-transmitting connected to the output body 40 and the output element 53 of the transmission. The connec tion of these output-side, comparatively slowly rotating the elements with one another is conveyed by a gear-side nut ring 54 and a long screw 55 screwed into it.
Die Lagerung der schnell drehenden Antriebswelle 7 auf der langsam drehenden Lagerwelle 45 wird beim Beispiel der Figur 2 durch zwei einzelne, axial benachbarte Radiallager bewirkt: ein im motorseitigen Endbereich angeordnetes erstes Radialla ger 74a, welches als gedichtetes Lager ausgebildet ist, und ein benachbartes zweites Radiallager 74a, welches als unge- dichtetes Lager ausgebildet sein kann. Das gedichtete Radial lager 74a unterstützt die Aufteilung der Antriebseinrichtung in einen geschmierten und einen ungeschmierten Bereich, wie im Zusammenhang mit Figur 4 noch deutlicher werden wird. The mounting of the rapidly rotating drive shaft 7 on the slowly rotating bearing shaft 45 is effected in the example of FIG. 2 by two individual, axially adjacent radial bearings: a first radial bearing 74a arranged in the motor-side end area, which is designed as a sealed bearing, and an adjacent second radial bearing 74a, which can be designed as an unsealed bearing. The sealed radial bearing 74a supports the division of the drive device into a lubricated and an unlubricated area, as will become even clearer in connection with FIG.
In Figur 3 ist eine Explosionszeichnung einer Antriebsein richtung 1 gezeigt. Der Aufbau dieser Antriebseinrichtung und das Funktionsprinzip der einzelnen Komponenten ist insgesamt analog zur Antriebseinrichtung der Figur 2. Es werden daher auch die gleichen Bezugszeichen für alle Komponenten verwen det. Figur 3 verdeutlicht lediglich noch einmal die relative axiale bzw. radiale Anordnung der Elemente und die Reihenfol ge, mit der sie beispielsweise zu einer übergeordneten An triebseinrichtung zusammengesetzt werden können. In Figur 4 ist ein weiterer Längsschnitt für die Antriebsein richtung 1 der Figur 2 gezeigt, wobei in dieser Ansicht noch zusätzliche Elemente dargestellt sind und die Unterteilung in zwei Teilbereiche deutlich wird, nämlich einen geschmierten Teilbereich 75 und einen ungeschmierten Teilbereich 76. Der geschmierte Teilbereich 75 ist durch Schraffur hervorgehoben und umfasst insbesondere einen Zwischenbereich zwischen An triebswelle 7 und Lagerwelle 45 sowie den Bereich des Getrie bes 50, des Speichenrads 31 und des Radiallagers 43. In die sem geschmierten Teilbereich 75 wird die reibungsarme Drehbe wegung der einzelnen Komponenten zueinander durch ein Schmiermittel gefördert. In Figure 3, an exploded view of a drive device 1 is shown. The structure of this drive device and the functional principle of the individual components is on the whole analogous to the drive device of FIG. 2. The same reference symbols are therefore also used for all components. FIG. 3 only illustrates once again the relative axial or radial arrangement of the elements and the sequence with which they can be combined, for example, to form a higher-level drive device. FIG. 4 shows a further longitudinal section for the drive device 1 of FIG. 2, additional elements being shown in this view and the division into two sub-areas becoming clear, namely a lubricated sub-area 75 and an unlubricated sub-area 76 is highlighted by hatching and includes in particular an intermediate area between the drive shaft 7 and bearing shaft 45 as well as the area of the gear 50, the spoked wheel 31 and the radial bearing 43. In this lubricated sub-area 75, the low-friction rotational movement of the individual components with respect to one another is ensured by a lubricant promoted.
Der ungeschmierte Bereich 76 umfasst dagegen die empfindli cheren Teilbereiche des Antriebsmotors 5, der Bremseinrich tung 8, der Steuereinrichtung 25 sowie der innerhalb der La gerwelle 45 geführten und hier nicht näher dargestellten elektrischen Verkabelung. In all diesen Teilbereichen liegt kein Schmiermittel vor, so dass die dort angeordneten emp findlichen Komponenten vor einer entsprechenden Verschmutzung durch ein Schmiermittel geschützt sind. The unlubricated area 76, on the other hand, comprises the sensitive sub-areas of the drive motor 5, the braking device 8, the control device 25 and the electrical wiring that is guided within the bearing shaft 45 and is not shown in detail here. In all of these sub-areas there is no lubricant, so that the sensitive components arranged there are protected from a corresponding contamination by a lubricant.
Die schmiermittel-dichte Trennung der beiden Teilbereiche 75 und 76 wird durch eine Reihe von Dichtungen erreicht, die in Figur 4 zusätzlich mit eingezeichnet sind. Zusätzlich sind zur Kapselung nach außen hin noch weitere Dichtungen vorhan den. Die wesentlichen Dichtungen sind die statischen Dichtun gen 70a bis 70d, die Drehdichtungen 72a und 72b und die Dich tung des gedichteten Radiallagers 74a. Außerdem ist in Figur 4 noch zusätzlich das Gehäuse 3 eingezeichnet, welches eine Kapselung nach außen hin bewirkt. The lubricant-tight separation of the two subregions 75 and 76 is achieved by a series of seals, which are also shown in FIG. In addition, there are additional seals to the outside for encapsulation. The main seals are the static seals 70a to 70d, the rotary seals 72a and 72b and the device of the sealed radial bearing 74a. In addition, the housing 3 is also shown in Figure 4, which effects an encapsulation to the outside.
Die statischen Dichtungen 70a bis 70e sind alle als O-Ring- Dichtungen ausgeführt. Der O-Ring der ersten statischen Dich tung 70a befindet sich zwischen dem feststehenden Teil der Bremse 8b und dem Gehäuse 3 und begrenzt hier den geschmier ten Bereich 75 außenliegend neben dem Getriebe 50. Der O-Ring der zweiten statischen Dichtung 70b befindet sich zwischen dem Scheibenelement 22 und dem ersten äußeren Ringelement 44a. Er begrenzt hier den geschmierten Bereich 75 kurz vor dem Radiallager nach radial außen. Der O-Ring der dritten statischen Dichtung 70c befindet sich zwischen dem ersten äußeren Ringelement 44a und dem zweiten äußeren Ringelement 44b. Er bildet somit die Außendichtung des Radiallagers 74. Der O-Ring der vierten statischen Dichtung 70d umschließt eine hier nicht dargestellte und durch den Flansch 21a nach außen führende Verbindungsleitung. Er dichtet also den ge schmierten Bereich 75 in Bezug auf diese Kabeldurchführung ab. Der O-Ring der fünften statischen Dichtung 70e ist inner halb des Flanschs 21a angeordnet. Er dichtet also die Flanschverbindung zu einem nächsten, außenliegenden Element nach außen hin ab. Es handelt sich hier also um eine Kapse lung gegen die äußere Umgebung (und nicht um eine innere Be grenzung des geschmierten Bereichs wie bei den anderen stati schen Dichtungen 70a bis 70d). The static seals 70a to 70e are all designed as O-ring seals. The O-ring of the first static log device 70a is located between the fixed part of the brake 8b and the housing 3 and here limits the lubricated area 75 on the outside next to the transmission 50. The O-ring the second static seal 70b is located between the disk member 22 and the first outer ring member 44a. Here it delimits the lubricated area 75 radially outward just before the radial bearing. The O-ring of the third static seal 70c is located between the first outer ring element 44a and the second outer ring element 44b. It thus forms the outer seal of the radial bearing 74. The O-ring of the fourth static seal 70d encloses a connecting line, not shown here, which leads to the outside through the flange 21a. So he seals the GE lubricated area 75 with respect to this cable bushing. The O-ring of the fifth static seal 70e is disposed within the flange 21a. It thus seals the flange connection to a next, external element to the outside. This is therefore an encapsulation against the external environment (and not an inner limitation of the lubricated area as with the other static seals 70a to 70d).
Die Drehdichtungen 72a bis 72c können beispielsweise als Ra- dial-Wellen-Dichtringe ausgeführt sein. Die erste Drehdich tung 72a befindet sich zwischen dem feststehenden Teil 8b der Bremseinrichtung und dem drehenden Antriebs-Element 52 des Getriebes. Sie dichtet also den geschmierten Bereich des Ge triebes 50 gegen den ungeschmierten Bereich der Bremseinrich tung 8 ab. Die zweite Drehdichtung 72b befindet sich zwischen dem (statischen) zweiten äußeren Ringelement 44b und dem (drehenden) zweiten inneren Ringelement. Sie dichtet also das Radiallager 43 auf der a2-Seite dieses Lagers ab und begrenzt daher den geschmierten Bereich 75 an seinem abtriebsseitigen axialen Ende. Die dritte Drehdichtung 72c befindet sich zwi schen dem drehbaren Abtriebskörper 40 einerseits und dem feststehenden Gehäuse 3 und dem feststehenden zweiten äußeren Ringelement 44b andererseits. Ähnlich wie bei der statischen Dichtung 70e handelt es sich auch hier um eine Abdichtung nach außen und nicht um eine innere Begrenzung des geschmier ten Bereichs wie bei den anderen Drehdichtungen 72a und 72b. Das erste Radiallager 74a ist ein gedichtetes Lager, während das zweite Radiallager 74b ein ungedichtetes Lager ist. Durch das gedichtete Lager wird somit der geschmierte Spalt zwi schen der Antriebswelle 7 und der Lagerwelle 45 zum motorsei tigen axialen Ende al hin abgedichtet. The rotary seals 72a to 72c can be designed, for example, as radial shaft sealing rings. The first rotary seal device 72a is located between the fixed part 8b of the braking device and the rotating drive element 52 of the transmission. So it seals the lubricated area of the Ge gear 50 against the unlubricated area of the Bremseinrich device 8. The second rotary seal 72b is located between the (static) second outer ring element 44b and the (rotating) second inner ring element. It thus seals the radial bearing 43 on the a2 side of this bearing and therefore delimits the lubricated area 75 at its axial end on the output side. The third rotary seal 72c is located between the rotatable output body 40 on the one hand and the fixed housing 3 and the fixed second outer ring element 44b on the other hand. Similar to the static seal 70e, this is also a seal to the outside and not an inner limitation of the lubricated area as with the other rotary seals 72a and 72b. The first radial bearing 74a is a sealed bearing, while the second radial bearing 74b is an unsealed bearing. Through the sealed bearing, the lubricated gap between tween the drive shaft 7 and the bearing shaft 45 is sealed to the motorsei term axial end al.
Zusammenfassend wird also durch die statischen Dichtungen 70a bis 70d, die Drehdichtungen 72a und 72b sowie das gedichtete Drehlager 74a eine vollständige schmiermittel-dichte Abgren zung zwischen dem geschmierten Bereich 75 und dem unge- schmierten Bereich 76 erreicht. In summary, the static seals 70a to 70d, the rotary seals 72a and 72b and the sealed rotary bearing 74a achieve a completely lubricant-tight delimitation between the lubricated area 75 and the unlubricated area 76.
In Figur 5 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Roboterarms 80 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der Roboterarm weist sieben Robotikge lenke J1 bis J7 auf, welche jeweils eine Drehung um eine zu gehörige Rotationsachse Al bis A7 ermöglichen. Es handelt sich also um einen Roboterarm mit sieben rotatorischen Frei heitsgraden. Das „innerste" Gelenk J1 ist mit einer Basis 81 verbunden, welche als übergeordnete mechanische Messe dient. Das „äußerste" Gelenk J7 kann beispielsweise einen Werkzeug halter tragen. Jedes der Einzel-Gelenke J1 bis J7 weist eine lokale mechanische Masse für die jeweilige Drehbewegung auf, welche durch den Sockel des jeweiligen Gelenks gegeben ist.FIG. 5 shows a schematic perspective illustration of a robot arm 80 according to a further exemplary embodiment of the invention. The robot arm has seven Robotikge joints J1 to J7, which each allow a rotation about an associated axis of rotation A1 to A7. So it is a robotic arm with seven degrees of rotational freedom. The "innermost" joint J1 is connected to a base 81, which serves as a superordinate mechanical measuring device. The "outermost" joint J7 can, for example, carry a tool holder. Each of the individual joints J1 to J7 has a local mechanical mass for the respective rotary movement, which is given by the base of the respective joint.
So ist beispielsweise der Sockel des dritten Gelenks J7 hier mit 21 bezeichnet. For example, the base of the third joint J7 is denoted here by 21.
Bei dem gezeigten Roboterarm ist zumindest eines der Robotik gelenke J1 bis J7 mit einer erfindungsgemäßen Antriebsein richtung versehen. Besonders vorteilhaft sind mehrere und insbesondere sogar alle dieser Gelenke mit erfindungsgemäßen Antriebseinrichtungen ausgestaltet. Exemplarisch wird dies für das dritte Gelenk J3 näher erläutert: Der Sockel 21 stellt die lokale mechanische Masse dieses Gelenks J3 dar. Dies ist der Sockel eines Grundhalters, wie er vorab im Zu sammenhang mit Figur 2 beschrieben wurde. Im Inneren des Ge häuses 3 der Antriebseinrichtung 1 für dieses Robotikgelenk J3 sind die übrigen, hier nicht sichtbaren Komponenten wie Antriebsmotor, Antriebswelle, Bremseinrichtung, Getriebe und Abtriebswelle angeordnet. Das motorseitige Ende ist mit al und das abtriebsseitige Ende ist mit a2 bezeichnet. Am motor seitigen Ende al befindet sich eine Endkappe 82. Im Bereich des abtriebsseitigen Endes a2 geht der (bezüglich der lokalen mechanischen Masse 21 drehbare) Abtriebskörper in den Sockel des nächsten Robotikgelenks J4 über. Das zu dem Grundhalter 20 gehörige axial innenliegende Scheibenelement ist hier mit der gestrichelten Linie 22 gekennzeichnet. Die zwischen den Antriebsmotor 5 und dem Getriebe 50 integrierte Bremseinrich tung bremst die Drehbewegung der Antriebswelle schon im Inne ren des Gelenkantriebs, wobei bei einem Stromausfall aufgrund der Ausführung als „normally closed" Bremseinrichtung eine Drehbewegung in diesem Gelenk J3 sofort angehalten wird. Dies ist vor allem bei der Verwendung des Roboterarms 80 in einer kollaborativen Arbeitsumgebung besonders vorteilhaft. In the shown robot arm, at least one of the robotics joints J1 to J7 is provided with a drive device according to the invention. Several and in particular even all of these joints are particularly advantageously designed with drive devices according to the invention. This is explained in more detail by way of example for the third joint J3: The base 21 represents the local mechanical mass of this joint J3. This is the base of a basic holder, as was previously described in connection with FIG. Inside the Ge housing 3 of the drive device 1 for this robotic joint J3 are the other components, not visible here, such as Arranged drive motor, drive shaft, braking device, gearbox and output shaft. The end on the motor side is denoted by a1 and the end on the driven side is denoted by a2. An end cap 82 is located at the motor-side end a1. In the area of the output-side end a2, the output body (rotatable with respect to the local mechanical mass 21) merges into the base of the next robotic joint J4. The axially inner disk element belonging to the basic holder 20 is identified here by the dashed line 22. The braking device integrated between the drive motor 5 and the gear 50 brakes the rotational movement of the drive shaft already inside the articulated drive, with a rotational movement in this joint J3 being stopped immediately in the event of a power failure due to the design as a "normally closed" braking device especially advantageous when using the robot arm 80 in a collaborative work environment.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Antriebseinrichtung 1 drive device
3 Antriebsgehäuse 3 drive housing
5 Antriebsmotor 5 drive motor
5a Stator 5a stator
5b Rotor 5b rotor
7 Antriebswelle 7 drive shaft
8 Bremseinrichtung 8 braking device
8a Bremsscheibe 8a brake disc
8b feststehender Teil der Bremseinrichtung 8b fixed part of the braking device
8c Feldspule 8c field coil
9 Abstützelement 9 work support
20 Grundhalter 20 basic holders
21 Sockel des Grundhalters (Kopplungselement)21 Base of the basic holder (coupling element)
21a Flansch 21a flange
22 Scheibenelement des Grundhalters 22 Disc element of the basic holder
25 Steuereinrichtung 25 Control device
31 Speichenrad 31 spoked wheel
40 Abtriebskörper (Abtriebswelle) 40 output body (output shaft)
41a erstes inneres Ringelement 41a first inner ring element
41b zweites inneres Ringelement 41b second inner ring element
43 Radiallager 43 radial bearings
44 Fest-Element des Radiallagers 44 Fixed element of the radial bearing
44a erstes äußeres Ringelement 44a first outer ring element
44b zweites äußeres Ringelement 44b second outer ring element
45 Lagerwelle 45 bearing shaft
48 motorseitiger Drehgeber 48 rotary encoder on the motor side
49 abtriebsseitiger Drehgeber 49 rotary encoder on the output side
50 Getriebe 50 gear
51 Fest-Element des Getriebes (Circular Spline)51 Fixed element of the gear unit (circular spline)
52 Antriebs-Element des Getriebes (Wave Generator)52 Drive element of the transmission (wave generator)
53 Abtriebs-Element des Getriebes (Flex Spline)53 Output element of the gear unit (Flex Spline)
53a Büchse des Abtriebs-Elements 53a Bush of the output element
54 Mutternring 54 nut ring
55 Schraube 55 screw
70a erste statische Dichtung 70a first static seal
70b zweite statische Dichtung 70c dritte statische Dichtung 70b second static seal 70c third static seal
70d vierte statische Dichtung 70d fourth static seal
70e fünfte statische Dichtung 70e fifth static seal
72a erste Drehdichtung 72a first rotary seal
72b zweite Drehdichtung 72b second rotary seal
72c dritte Drehdichtung 72c third rotary seal
74 Radiallager 74 radial bearings
74a erstes Radiallager (gedichtet) 74a first radial bearing (sealed)
74b zweites Radiallager (ungedichtet)74b second radial bearing (unsealed)
75 geschmierter Bereich 75 lubricated area
76 ungeschmierter Bereich 76 unlubricated area
80 Roboterarm 80 robotic arm
81 Basis 81 base
82 Endkappe 82 end cap
A zentrale Achse al motorseitiges Ende a2 abtriebsseitiges Ende A central axis al motor-side end a2 output-side end
B Flanschachse B flange axis
J1 erstes Robotikgelenk mit Achse AlJ1 first robotic joint with axis Al
J2 zweites Robotikgelenk mit Achse A2J2 second robotic joint with axis A2
J3 drittes Robotikgelenk mit Achse A3J3 third robotic joint with axis A3
J4 viertes Robotikgelenk mit Achse A4J4 fourth robotic joint with axis A4
J5 fünftes Robotikgelenk mit Achse A5J5 fifth robotic joint with axis A5
J6 sechstes Robotikgelenk mit Achse A6J6 sixth robotic joint with axis A6
J7 siebtes Robotikgelenk mit Achse A7 J7 seventh robotic joint with axis A7

Claims

Patentansprüche Claims
1. Antriebseinrichtung (1) für ein Robotikgelenk (J1-J7), um fassend 1. Drive device (1) for a robotic joint (J1-J7) to comprehend
- einen Antriebsmotor (5) mit einer Antriebswelle (7), die bezüglich einer zentralen Achse (A) drehbar ist, - A drive motor (5) with a drive shaft (7) which is rotatable with respect to a central axis (A),
- ein Getriebe (50) mit einem Fest-Element (51), einem An triebs-Element (52) und einem Abtriebs-Element (53), wobei das Antriebs-Element (52) drehmomentübertragend mit der An triebswelle (7) des Antriebsmotors (5) verbunden ist - A transmission (50) with a fixed element (51), a drive element (52) and an output element (53), the drive element (52) transmitting torque to the drive shaft (7) of the drive motor (5) is connected
- und eine Bremseinrichtung (8) zum Abbremsen der Drehbewe gung der Antriebswelle (7), wobei die Bremseinrichtung (8) axial zwischen dem Antriebsmotor (5) und dem Getriebe (50) angeordnet ist. - And a braking device (8) for braking the Drehbewe movement of the drive shaft (7), wherein the braking device (8) is arranged axially between the drive motor (5) and the gear (50).
2. Antriebseinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher die Bremseinrichtung (8) axial benachbart zum Antriebsmotor (5) angeordnet ist. 2. Drive device (1) according to claim 1, wherein the braking device (8) is arranged axially adjacent to the drive motor (5).
3. Antriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welcher die Bremseinrichtung (8) eine elektromagnetische Bremse mit wenigstens einer Bremsscheibe (8a) und wenigstens einer elektromagnetischen Feldspule (8c) umfasst. 3. Drive device (1) according to one of claims 1 or 2, in which the braking device (8) comprises an electromagnetic brake with at least one brake disc (8a) and at least one electromagnetic field coil (8c).
4. Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher die Bremseinrichtung (8) als Sicher heitsbremse ausgestaltet ist. 4. Drive device (1) according to one of the preceding claims, in which the braking device (8) is designed as a safety brake.
5. Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher das Getriebe (50) als Harmonie Drive Ge triebe ausgestaltet ist. 5. Drive device (1) according to one of the preceding claims, in which the gear (50) is designed as a Harmonie Drive Ge gear.
6. Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, welche eine mit dem Abtriebs-Element (53) des Ge triebes (50) fest verbundene Lagerwelle (45) aufweist, welche sich in axialer Richtung zumindest über die axialen Bereiche des Antriebsmotors (5), der Bremseinrichtung (8) und des Ge triebes (50) erstreckt. 6. Drive device (1) according to one of the preceding claims, which has a bearing shaft (45) fixedly connected to the output element (53) of the gear unit (50) and extending in the axial direction at least over the axial areas the drive motor (5), the braking device (8) and the transmission (50) extends.
7. Antriebseinrichtung (1) nach Anspruch 6, welche im motor seitigen Endbereich (al) der Lagerwelle (45) einen Drehgeber (48) zur Bestimmung der Winkellage der Antriebswelle (7) auf weist. 7. Drive device (1) according to claim 6, which in the motor-side end region (al) of the bearing shaft (45) has a rotary encoder (48) for determining the angular position of the drive shaft (7).
8. Antriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, welche im abtriebsseitigen Endbereich (a2) der Lagerwelle (45) einen Drehgeber (49) zur Bestimmung der Winkellage der Lagerwelle (45) aufweist. 8. Drive device (1) according to one of claims 6 or 7, which in the output-side end region (a2) of the bearing shaft (45) has a rotary encoder (49) for determining the angular position of the bearing shaft (45).
9. Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, welche einen Abtriebskörper (40) aufweist, der durch ein abtriebsseitiges Radiallager (43) drehbar gelagert ist. 9. Drive device (1) according to one of the preceding claims, which has an output body (40) which is rotatably supported by a radial bearing (43) on the output side.
10. Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, welche einen Grundhalter (20) zur Verbindung der An triebseinrichtung (1) mit einer äußeren mechanischen Masse aufweist, wobei der Grundhalter (20) ein Scheibenelement (22) aufweist, welches senkrecht zur zentralen Achse (A) ausgerichtet ist. 10. Drive device (1) according to one of the preceding claims, which has a base holder (20) for connecting the drive device (1) to an external mechanical mass, the base holder (20) having a disc element (22) which is perpendicular to central axis (A) is aligned.
11. Antriebseinrichtung (1) nach Anspruch 10, bei welcher der Grundhalter (20) einen Sockel (21) mit einem Flansch (21a) zur Verbindung mit einem außenliegenden Bauelement aufweist,11. Drive device (1) according to claim 10, wherein the base holder (20) has a base (21) with a flange (21a) for connection to an external component,
- wobei der Flansch (21a) eine Flanschachse (B) aufweist, welche senkrecht zur zentralen Achse (A) der Antriebsein richtung (1) liegt. - wherein the flange (21a) has a flange axis (B) which is perpendicular to the central axis (A) of the drive device (1).
12. Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, welche eine Messvorrichtung zur Messung eines inner halb der Antriebseinrichtung wirkenden Drehmoments mit einem Speichenrad (31) umfasst. 12. Drive device (1) according to one of the preceding claims, which comprises a measuring device for measuring a torque acting within the drive device with a spoked wheel (31).
13. Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, welche einen geschmierten Teilbereich (75) und einen ungeschmierten Teilbereich (76) aufweist, wobei diese beiden Teilbereiche (75,76) durch - wenigstens eine statische Dichtung (70a-70e), 13. Drive device (1) according to one of the preceding claims, which has a lubricated sub-area (75) and an unlubricated sub-area (76), these two sub-areas (75, 76) by - at least one static seal (70a-70e),
- wenigstens eine Drehdichtung (72a-72c) und/oder - At least one rotary seal (72a-72c) and / or
- wenigstens ein gedichtetes Radiallager (74a) gegeneinan der abgedichtet sind. - At least one sealed radial bearing (74a) are sealed against one another.
14. Antriebseinrichtung (1) nach Anspruch 13, bei welcher der ungeschmierte Teilbereich (76) den Bereich eines Rotors (5b) und eines Stators (5a) des Antriebsmotors (5) und/oder den Bereich der Bremseinrichtung (8) umfasst. 14. Drive device (1) according to claim 13, wherein the unlubricated partial area (76) comprises the area of a rotor (5b) and a stator (5a) of the drive motor (5) and / or the area of the braking device (8).
15. Robotikgelenk (J3) mit einer Antriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14. 15. Robotic joint (J3) with a drive device (1) according to one of claims 1 to 14.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090078528A1 (en) * 2005-08-01 2009-03-26 Nobuo Uzawa Drum rotating apparatus for use on construction machines
EP2190104A1 (en) * 2007-09-11 2010-05-26 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Hollow actuator
US7777385B2 (en) * 2008-05-15 2010-08-17 Honeywell International Inc. Compact, electromagnetically braked actuator assembly
JP2019083677A (en) * 2017-10-30 2019-05-30 Ntn株式会社 Hollow actuator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090078528A1 (en) * 2005-08-01 2009-03-26 Nobuo Uzawa Drum rotating apparatus for use on construction machines
EP2190104A1 (en) * 2007-09-11 2010-05-26 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Hollow actuator
US7777385B2 (en) * 2008-05-15 2010-08-17 Honeywell International Inc. Compact, electromagnetically braked actuator assembly
JP2019083677A (en) * 2017-10-30 2019-05-30 Ntn株式会社 Hollow actuator

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