WO2025233248A1 - Roboterarm mit modularen antriebseinheiten und modulare antriebseinheit hierfür - Google Patents

Roboterarm mit modularen antriebseinheiten und modulare antriebseinheit hierfür

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WO2025233248A1
WO2025233248A1 PCT/EP2025/062107 EP2025062107W WO2025233248A1 WO 2025233248 A1 WO2025233248 A1 WO 2025233248A1 EP 2025062107 W EP2025062107 W EP 2025062107W WO 2025233248 A1 WO2025233248 A1 WO 2025233248A1
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drive
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wave gear
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Zoubir Benali
Jürgen FOLWERK
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KUKA Deutschland GmbH
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    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears

Definitions

  • Robot arm with modular drive units and modular drive unit for this purpose
  • the present invention relates to a robot arm with several rotary drives for adjusting one rotary joint of the robot arm and a modular drive unit for adjusting one rotary joint of the robot arm.
  • the object of the present invention is to improve a robot arm, preferably its manufacture, maintenance and/or operation, and/or to provide a drive unit for adjusting a rotary joint of a robot arm, with which a robot arm, preferably its manufacture, maintenance and/or operation, can be improved.
  • Claim 7 provides protection for a robot arm with several rotary drives for adjusting each of the rotary joints of the robot arm, wherein one or more of these rotary drives (each) preferably comprises a drive unit as described herein.
  • the dependent claims relate to advantageous embodiments.
  • a modular drive unit for adjusting a rotary joint of a robot arm comprises:
  • a one-piece or multi-piece engine housing which may in particular include one or more gearbox housing parts;
  • a one- or multi-part drive shaft preferably a one- or multi-part hollow shaft, wherein the drive shaft is in one embodiment non-rotatably connected to a rotor of the servo motor, and in a further development non-rotatably connected;
  • a wave generator preferably non-rotatably connected to the drive shaft, preferably non-rotatably connected, - a circular spline, preferably non-rotatably connected to the motor housing, preferably non-rotatably;
  • a flexspline which in one embodiment forms an output of the wave gear or part of an output of the wave gear or is coupled to an output of the wave gear, preferably rotationally fixed, in one embodiment rotationally fixed; has;
  • a drive encoder that detects, is set up for, or is used to detect the position of the drive shaft
  • a signal-connected servo controller in one version wired to the drive encoder and the output encoder, which is preferably integrated into the modular drive unit;
  • a load sensor preferably a single- or multi-axis force and/or torque sensor and/or for detecting a load acting on the output, in particular a force acting on the output and/or a torque acting on the output;
  • a hollow shaft preferably non-rotatably connected to the motor housing, through which one or more cables, preferably for power supply and/or control of the servo motor and/or the holding brake and/or for communication with a servo controller connected in series with the servo controller of a subsequent drive unit and/or a power supply of a subsequent drive unit, can be guided axially through the drive unit, or which is equipped or used for this purpose.
  • wave gear which is advantageously integrated into the drive unit, advantageous transmission ratios can be achieved particularly advantageously, especially precisely, and thereby the robot arm or the corresponding rotary joint can be adjusted particularly efficiently and/or precisely.
  • the holding brake which is advantageously integrated into the drive unit, the corresponding swivel joint can be set particularly efficiently and/or precisely when required.
  • the (re)calibration effort can be advantageously reduced and/or a difference between the input and output speeds of the wave gear can be determined, and based on this, for example, a load torque can be determined and/or a safety check can be carried out, for example, an error reaction can be triggered if a difference between the input and output speeds, taking into account a target gear ratio of the wave gear, exceeds a predetermined tolerance range.
  • the drive encoder and/or the output encoder (each) is an absolute (measuring) encoder. This advantageously reduces the (re)calibration effort.
  • the drive encoder detects a rotation or rotational position of the drive shaft relative to the motor housing, and/or the output encoder detects a rotation or rotational position of the output of the wave gear relative to the motor housing.
  • the servo controller (wave gear) is arranged on the output side.
  • the assembly and/or (partial) disassembly and/or maintenance of the robot arm can be improved, in particular simplified and/or accelerated.
  • the servo controllers of several drives are connected in series via signals, preferably in a daisy-chain configuration, such that one or more servo controllers each transmit signals from a subsequent servo controller, preferably also signals transmitted by this subsequent servo controller to one or more further subsequent servo controllers, towards an interface of the robot arm, in particular to the interface or a preceding servo controller, and/or output signals from the interface to a subsequent servo controller, preferably also signals to be transmitted by this subsequent servo controller to one or more further subsequent servo controllers, or are configured or used for this purpose.
  • this allows for a particularly advantageous operation of the robot arm and/or improves, in particular simplifies and/or accelerates, the assembly and/or (partial) disassembly and/or maintenance of
  • a particularly advantageous operation of the robot arm can be achieved in one embodiment, and/or the assembly and/or (partial) disassembly and/or maintenance of the robot arm can be improved, in particular simplified and/or accelerated.
  • this can advantageously enable compliance control, especially impedance control, of the robot arm, in which loads acting on the robot arm are detected by means of the load sensor(s) and the robot arm is controlled to avoid or follow these loads.
  • the load sensor is signal-connected to the servo controller, preferably such that the servo controller can transmit data based on signals from the load sensor, optionally via further servo controllers, to a robot arm controller or interface.
  • the (possibility of) axial cable routing through the drive unit via the hollow shaft can improve cable routing within the robot arm and/or improve, in particular simplify and/or accelerate, the assembly and/or (partial) disassembly and/or maintenance of the robot arm.
  • the drive shaft is rotatably mounted on, preferably within, the motor housing, preferably via one or more rolling bearings. Additionally or alternatively, in another embodiment, the drive shaft and the output shaft of the wave gear are rotatably mounted relative to each other, preferably via one or more rolling bearings. Additionally or alternatively, in one embodiment, the drive shaft engages the hollow shaft, preferably concentrically, or in another embodiment, the hollow shaft extends through the drive shaft. Additionally or alternatively, in another embodiment, the output shaft of the wave gear is rotatably mounted on the motor housing, preferably via one or more rolling bearings.
  • One or more of these features can improve, in particular simplify and/or accelerate, the assembly and/or (partial) disassembly and/or maintenance of the robot arm in a given design. Additionally or alternatively, one or more of these features can advantageously increase rigidity and/or reduce weight and/or installation space in a given design.
  • the holding brake is an electrically operated (actuated) and/or self-closing brake, or one that closes without a power supply or actuation. Additionally or alternatively, in another embodiment, the holding brake is arranged in the motor housing, preferably at the edge.
  • One or more of these features can improve, in particular simplify and/or accelerate, the assembly and/or (partial) disassembly and/or maintenance of the robot arm in a given design. Additionally or alternatively, one or more of these features can enhance safety in a given design.
  • the holding brake and the servo controller are arranged on opposite sides of the wave gear. Additionally or alternatively, in another embodiment, the servo controller and the drive encoder are arranged on the same side of the wave gear. Additionally or alternatively, in In one version, the servo controllers and the output encoders are arranged on the same side of the wave gear.
  • One or more of these features can improve, in particular simplify and/or accelerate, the assembly and/or (partial) disassembly and/or maintenance of the robot arm in a given design. Additionally or alternatively, one or more of these features can improve, in particular simplify, cable routing in a given design.
  • the stator of the servo motor is bonded to the motor housing; in a further development, it is glued to the motor housing. Additionally or alternatively, in one embodiment, the motor housing has a cover through which the stator of the servo motor and/or the holding brake is inserted, or which is provided or used for this purpose. Additionally or alternatively, in one embodiment, the motor housing has at least one gearbox housing section in which the wave gear is at least partially arranged and/or on which the output of the wave gear is rotatably mounted.
  • the present invention is particularly advantageous for such robot arms, especially due to the integrated sensors.
  • Fig. 2 one of the drive units in an axial section.
  • Fig. 1 shows a robot arm 100 with several rotary joints, which are indicated in Fig. 1 by dashed-dotted axes of rotation.
  • the robot arm 100 has a base 110 and an end flange 120 and is controlled by a robot arm controller 200, preferably via EtherCat, in particular FOE&FSOE.
  • the robot arm has modular drive units A1-A7 according to one embodiment of the present invention, one of which is shown in an axial section in Fig. 2.
  • the drive units A1-A7 are each a drive unit, as explained below with reference to Fig. 2.
  • a drive encoder 5.1 is coupled to the drive shaft 2, and an output encoder 5.2 is coupled to the output of the wave gear.
  • the drive encoder 5.1 and the output encoder 5.2 are connected to a servo controller 6, which is also connected to a load sensor 7, in order to transmit data based on signals from the load sensor, possibly via further servo controllers, to the robot arm control 200.
  • a hollow shaft 8 for axial cable routing through the drive unit is firmly connected to the motor housing 1.
  • the drive shaft 2 is rotatably mounted on the motor housing via a rolling bearing 9 and on the output of the wave gear via a rolling bearing 10 and surrounds the hollow shaft 8.
  • the output of the wave gear is rotatably mounted on the gearbox housing part 1.1 of the motor housing via a roller bearing 11.
  • the holding brake 3 and the servo controller 6 are arranged on opposite sides of the wave gear, the servo controller 6, the drive encoder 5.1 and the output encoder 5.2 on the same side of the wave gear (left in Fig. 2).
  • one or more of the drive units A1-A7 are configured as described above with reference to Fig. 2, wherein preferably in one or more of these drive units the motor housing 1 is connected to an end-flange-side structural member of the robot and the output of the wave gear is connected to a base-side structural member of the robot.
  • the motor housing 1 of drive units A1 and A2 is schematically indicated by bold dashed lines.
  • the drive units A1-A7 are connected to each other in series by cable, wherein the base-fixed servo controller of the drive unit A1 is connected by signal or cable to an interface 130 for communication with the robot arm control 200.
  • the drive shaft 2 is sealed via radial shaft seals 14, 15, the output of the wave gear via radial shaft seal 16.
  • the rotary bearing 11 is connected via an inner bearing cover 17.1 and an outer bearing cover 17.2.
  • A5, A6, A7 drive unit A5, A6, A7 drive unit; rotary drive

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Abstract

Eine modulare Antriebseinheit (A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7) zum Verstellen eines Drehgelenks eines Roboterarms (100) weist auf: einen Servomotor mit einem Motorgehäuse (1, 1.1, 1.2, 1.3) und einer Antriebswelle (2); ein mit der Antriebswelle gekoppeltes Wellgetriebe (4.1, 4.2); eine mit der Antriebswelle gekoppelte Haltebremse (3); einen Antriebsencoder (5.1) zum Erfassen einer Position der Antriebswelle; einen Abtriebsencoder (5.2) zum Erfassen einer Position eines Abtriebs (4) des Wellgetriebes; einen mit dem Antriebsencoder und dem Abtriebsencoder signalverbundenen Servoregler (6); einen Lastsensor (7); und eine Hohlwelle (8) zur axialen Kabeldurchführung durch die Antriebseinheit. Die Erfindung betrifft außerdem einen Roboterarm mit der Antriebseinheit.

Description

Beschreibung
Roboterarm mit modularen Antriebseinheiten und modulare Antriebseinheit hierfür
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboterarm mit mehreren Drehantrieben zum Verstellen je eines Drehgelenks des Roboterarms sowie eine modulare Antriebseinheit zum Verstellen eines Drehgelenks des Roboterarms.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Roboterarm, vorzugsweise dessen Herstellung, Wartung und/oder Betrieb, zu verbessern und/oder eine Antriebseinheit zum Verstellen eines Drehgelenks eines Roboterarms zur Verfügung zu stellen, mit der ein Roboterarm, vorzugsweise dessen Herstellung, Wartung und/oder Betrieb, verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine modulare Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 7 stellt einen Roboterarm mit mehreren Drehantrieben zum Verstellen je eines Drehgelenks des Roboterarms unter Schutz, wobei einer oder mehrere dieser Drehantriebe (jeweils) eine hier beschriebene Antriebseinheit aufweist, vorzugsweise ist. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist eine modulare Antriebseinheit zum Verstellen eines Drehgelenks eines Roboterarms auf:
- einen Servomotor mit:
- einem ein- oder mehrteiligen Motorgehäuse, das insbesondere einen oder mehrere Getriebegehäuseteile aufweisen kann; und
- einer ein- oder mehrteiligen Antriebswelle, vorzugsweise einer ein- oder mehrteiligen Hohlwelle, wobei die Antriebswelle in einer Ausführung mit einem Rotor des Servomotors drehfest, in einer Weiterbildung drehfest verbunden, ist;
- ein mit der Antriebswelle gekoppeltes Wellgetriebe, das in einer Ausführung
- einen, vorzugsweise mit der Antriebswelle drehfesten, vorzugsweise drehfest verbundenen, Wave Generator, - einen, vorzugsweise mit dem Motorgehäuse drehfesten, vorzugsweise drehfest verbundenen, Circular Spline; und
- einen Flexspline, der in einer Ausführung einen Abtrieb des Wellgetriebes oder einen Teil eines Abtriebs des Wellgetriebes bildet oder mit einem Abtrieb des Wellgetriebes gekoppelt, vorzugsweise drehfest, in einer Ausführung drehfest verbunden, ist; aufweist;
- eine mit der Antriebswelle gekoppelte, vorzugsweise drehfest verbundene, Haltebremse;
- einen Antriebsencoder, der eine Position der Antriebswelle erfasst bzw. hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird;
- einen Abtriebsencoder, der eine Position eines bzw. des Abtriebs des Wellgetriebes erfasst bzw. hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird;
- einen mit dem Antriebsencoder und dem Abtriebsencoder, in einer Ausführung kabelgebundenen, signalverbundenen Servoregler, der vorzugsweise in die modulare Antriebseinheit integriert ist;
- einen Lastsensor, vorzugsweise einen ein- oder mehrachsigen Kraft- und/oder Drehmomentsensor und/oder zum Erfassen einer am Abtrieb wirkenden Last, insbesondere einer am Abtrieb wirkenden Kraft und/oder eines am Abtrieb wirkenden Drehmoments; und
- eine, vorzugsweise mit dem Motorgehäuse drehfeste, vorzugsweise drehfest verbundenene, Hohlwelle, durch die ein oder mehrere Kabel, vorzugsweise zur Energieversorgung und/oder Ansteuerung des Servomotors und/oder der Haltebremse und/oder zur Kommunikation mit einem in Serie mit dem Servoregler geschalteten Servoregler einer nachfolgenden Antriebseinheit und/oder einer Energieversorgung einer bzw. der nachfolgenden Antriebseinheit, axial durch die Antriebseinheit hindurchführbar sind, in einer Ausführung hindurchgeführt sind, bzw. die hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird.
Dadurch kann in einer Ausführung eine vollintegrierte und modulare Antriebslösung des Roboterarms realisiert werden, in der die genannten Komponenten vollintegriert sind und einen besonders vorteilhaften Betrieb des Roboterarms ermöglichen. Zusätzlich oder alternativ kann hierdurch die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden.
Durch die Verwendung des, vorteilhafterweise in die Antriebseinheit integrierten, Wellgetriebes können vorteilhafte Übersetzungsverhältnisse besonders vorteilhaft, insbesondere präzise, realisiert und dadurch der Roboterarm bzw. das entsprechende Drehgelenk besonders effizient und/oder präzise verstellt werden.
Durch die Verwendung der, vorteilhafterweise in die Antriebseinheit integrierten, Haltebremse kann das entsprechende Drehgelenk bei Bedarf besonders effizient und/oder präzise festgelegt werden.
Durch die Verwendung einer, vorteilhafterweise in die Antriebseinheit integrierten, Kombination aus einem (getriebe)antriebsseitigen Antriebsencoder und einem (getriebe)abtriebsseitigen Abtriebsencoder kann vorteilhaft ein (Re)Kalibirieraufwand reduziert und/oder ein Unterschied zwischen An- und Abtriebsdrehzahl des Wellgetriebes ermittelt und basierend hierauf zum Beispiel ein Lastdrehmoment ermittelt und/oder eine Sicherheitsüberprüfung durchgeführt werden, zum Beispiel eine Fehlerreaktion ausgelöst werden, wenn eine Differenz zwischen An- und Abtriebsdrehzahl unter Berücksichtigung einer Soll-Übersetzung des Wellgetriebes einen vorgegebenen Toleranzbereich überschreitet.
In einer Ausführung ist der Antriebsencoder und/oder der Abtriebsencoder (jeweils) ein absolut( messend)er Encoder. Dadurch kann vorteilhaft ein (Re)Kalibirieraufwand reduziert werden. In einer Ausführung erfasst der Antriebsencoder eine Verdrehung bzw. Drehposition der Antriebswelle relativ zum Motorgehäuse und/oder der Abtriebsencoder eine Verdrehung bzw. Drehposition des Abtriebs des Wellgetriebes relativ zum Motorgehäuse. In einer Ausführung ist der Servoregler (wellgetriebe)abtriebsseitig angeordnet.
Durch die(se) Integration des Servoreglers direkt in die Antriebseinheit kann die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden. In einer Ausführung sind die Servoregler von mehreren Antrieben in Serie miteinander signal-, in einer Ausführung kabelverbunden, vorzugsweise Daisy- Chain-artig bzw. gedaisychained, so dass ein oder mehrere Servoregler jeweils Signale von einem nachfolgenden Servoregler, vorzugsweise auch von diesem übertragene Signale von einem oder mehreren weiter nachfolgenden Servoreglern, in Richtung einer Schnittstelle des Roboterarms, insbesondere an die Schnittstelle oder einen vorhergehenden Servoregler, weitergibt und/oder Signale von der Schnittstelle an einen nachfolgenden Servoregler, vorzugsweise auch von diesem nachfolgenden Servoregler zu übertragene Signale für einen oder mehrere weiter nachfolgende Servoregler, ausgibt bzw. hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird. Dadurch kann in einer Ausführung ein besonders vorteilhafter Betrieb des Roboterarms realisiert und/oder die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden.
Durch die Verwendung eines, vorteilhafterweise in die Antriebseinheit integrierten, Lastsensors kann in einer Ausführung ein besonders vorteilhafter Betrieb des Roboterarms realisiert und/oder die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden. Insbesondere kann hierdurch vorteilhaft eine Nachgiebigkeits-, insbesondere Impedanzregelung des Roboterarms realisiert werden, in der auf den Roboterarm wirkende Lasten mittels des bzw. der Lastsensoren erfasst werden und der Roboterarm diesen ausweichend bzw. folgend geregelt wird. In einer Ausführung ist der Lastsensor mit dem Servoregler signalverbunden, vorzugsweise derart, dass der Servoregler auf Signalen des Lastsensors basierende Daten, gegebenenfalls über weitere der Servoregler, an eine Roboterarmsteuerung bzw. Schnittstelle weitergeben kann.
Durch die (Möglichkeit der) axiale(n) Kabeldurchführung durch die Antriebseinheit durch die Hohlwelle kann eine Kabelführung innerhalb des Roboterarms verbessert und/oder die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden. In einer Ausführung ist die Antriebswelle, vorzugsweise über ein oder mehrere Wälzlager, an, vorzugsweise in, dem Motorgehäuse drehbar gelagert. Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung die Antriebswelle und der Abtrieb des Wellgetriebes, vorzugsweise über ein oder mehrere Wälzlager, drehbar aneinander gelagert. Zusätzlich oder alternativ umgreift die Antriebswelle in einer Ausführung die Hohlwelle, vorzugsweise konzentrisch, bzw. durchgreift in einer Ausführung die Hohlwelle die Antriebswelle. Zusätzlich oder alternativ ist in einer Ausführung der Abtrieb des Wellgetriebes, vorzugsweise über ein oder mehrere Wälzlager, drehbar an dem Motorgehäuse gelagert.
Durch eines oder mehrere dieser Merkmale kann in einer Ausführung die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden. Zusätzlich oder alternativ kann durch eines oder mehrere dieser Merkmale in einer Ausführung eine Steifigkeit vorteilhaft erhöht und/oder Gewicht und/oder Bauraum reduziert werden.
In einer Ausführung ist die Haltebremse eine elektrisch( betätigt- bzw. aktuiert)e und/oder selbstschließende bzw. ohne Energieversorgung bzw. Aktuierung schließende Bremse. Zusätzlich oder alternativ ist die Haltebremse in einer Ausführung, vorzugsweise randseitig, in dem Motorgehäuse angeordnet.
Durch eines oder mehrere dieser Merkmale kann in einer Ausführung die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden. Zusätzlich oder alternativ kann durch eines oder mehrere dieser Merkmale in einer Ausführung eine Sicherheit vorteilhaft werden.
In einer Ausführung sind die Haltebremse und der Servoregler auf gegenüberliegenden Seiten des Wellgetriebes angeordnet. Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung der Servoregler und der Antriebsencoder auf derselben Seite des Wellgetriebes angeordnet. Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung der Servoregler und der Abtriebsencoder auf derselben Seite des Wellgetriebes angeordnet.
Durch eines oder mehrere dieser Merkmale kann in einer Ausführung die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden. Zusätzlich oder alternativ kann durch eines oder mehrere dieser Merkmale in einer Ausführung eine Kabelführung verbessert, insbesondere vereinfacht, werden.
In einer Ausführung ist ein Stator des Servomotors stoffschlüssig mit dem Motorgehäuse verbunden, in einer Weiterbildung mit dem Motorgehäuse verklebt. Zusätzlich oder alternativ weist in einer Ausführung das Motorgehäuse einen Deckel auf, durch den ein bzw. der Stator des Servomotors und/oder die Haltebremse eingeführt wurde bzw. der hierzu vorgesehen ist bzw. verwendet wird. Zusätzlich oder alternativ weist in einer Ausführung das Motorgehäuse wenigstens einen Getriebegehäuseteil auf, in dem das Wellgetriebe wenigstens teilweise angeordnet ist und/oder an dem der Abtrieb des Wellgetriebes drehbar gelagert ist. Durch eines oder mehrere dieser Merkmale kann in einer Ausführung die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden. Zusätzlich oder alternativ kann hierdurch in einer Ausführung die Abstützung des Abtriebs verbessert und/oder das Wellgetriebe vorteilhaft, insbesondere geschützt(er) und/oder kompakt(er), untergebracht werden.
In einer Ausführung weist die Antriebseinheit einen Temperatursensor auf, der eine Temperatur der Antriebseinheit, vorzugsweise des Servomotors und/oder Wellgetriebes und/oder Servoreglers, erfasst und vorzugsweise an den Servoregler meldet, bzw. der hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird. In einer Ausführung ist der Temperatursensor am Stator des Servomotors angeordnet, in einer Weiterbildung im Stator integriert.
Dadurch kann insbesondere der Betrieb des Roboterarms verbessert, beispielsweise die erfasste(n) Temperatur(en) beim Betrieb und/oder Stillsetzen des Roboterarms berücksichtigt werden. Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Roboterarm mehrere Drehantriebe auf, die jeweils ein Drehgelenk des Roboterarms verstellen bzw. hierzu eingerichtet sind bzw. verwendet werden, wobei einer oder mehrere dieser Drehantriebe (jeweils) eine hier beschriebene modulare Antriebseinheit aufweisen, in einer Weiterbildung (jeweils) eine hier beschriebene modulare Antriebseinheit ist.
In einer Ausführung weist der Roboterarm eine, vorzugsweise stationäre oder mobile, Basis und einen Endflansch, vorzugsweise mit einer Schnittstelle zur Befestigung eines Endeffektors und/oder einem Endeffektor, auf. In einer Weiterbildung ist bei einer oder mehreren der Antriebseinheiten das Motorgehäuse, vorzugsweise fest, mit einem endflaschseitigen bzw. distalen Strukturglied des Roboters und der Abtrieb des Wellgetriebes mit einem basisseitigen bzw. proximalen Strukturglied des Roboters verbunden, welche in einer Ausführung in dem durch das durch die Antriebseinheit verstellbaren Gelenk miteinander verbunden sind.
Hierdurch kann in einer Ausführung die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden. Zusätzlich oder alternativ kann hierdurch in einer Ausführung eine Kabelführung verbessert, insbesondere vereinfacht, werden.
In einer Ausführung sind mehrere der Antriebseinheiten, vorzugsweise deren Servoregler, in Serie miteinander kabelverbunden, vorzugsweise Daisy-Chain- artig bzw. gedaisychained. Zusätzlich oder alternativ ist ein, vorzugsweise basisfester, Servoregler einer proximalen Antriebseinheiten mit einer Schnittstelle zur Kommunikation mit einer Roboterarmsteuerung signal-, insbesondere kabelverbunden.
Hierdurch kann in einer Ausführung die Montage und/oder (Teil)Demontage und/oder Wartung des Roboterarms verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden. Zusätzlich oder alternativ kann hierdurch in einer Ausführung eine Kabelführung verbessert, insbesondere vereinfacht, werden. In einer Ausführung weist der Roboterarm wenigstens sechs, in einer Weiterbildung wenigstens sieben, durch die Antriebseinheiten verstellbare Drehgelenke auf. Zusätzlich oder alternativ ist er in einer Ausführung als Cobot bzw. kollaborativer bzw. kollaborierender Roboter, der mit Menschen im direkten Kontakt zusammenarbeitet, eingerichtet bzw. wird als Cobot verwendet.
Für solche Roboterarme ist die vorliegende Erfindung, insbesondere aufgrund der integrierten Sensorik, besonders vorteilhaft.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 : einen Roboterarm mit mehreren modularen Antriebseinheiten nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2: eine der Antriebseinheiten in einem Axialschnitt.
Fig. 1 zeigt einen Roboterarm 100 mit mehreren Drehgelenken, die in Fig. 1 durch strichpunktierte Drehachsen angedeutet sind.
Der Roboterarm 100 weist eine Basis 110 und einen Endflansch 120 auf und wird durch eine Roboterarmsteuerung 200, vorzugsweise über EtherCat, insbesondere FOE&FSOE, gesteuert.
Zum - in Fig. 1 durch einen Bewegungspfeil angedeuteten - Verstellen der Drehgelenke weist der Roboterarm modularen Antriebseinheiten A1 - A7 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung auf, von denen eine exemplarisch in Fig. 2 in einem Axialschnitt gezeigt ist. Vorzugsweise sind dabei mehrere, in einer Ausführung alle, der Antriebseinheiten A1 - A7 jeweils eine Antriebseinheit, wie sie nachfolgend mit Bezug auf Fig. 2 erläutert wird.
Die in Fig. 2 in einem Axialschnitt gezeigte Antriebseinheit nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist einen Servomotor mit einem Motorgehäuse 1 und einer Antriebswelle 2 auf. Randseitig (in Fig. 2 rechts) in dem Motorgehäuse 1 ist eine mit der Antriebswelle 2 gekoppelte, elektrische und selbstschließende Haltebremse 3 angeordnet und mit einem Aufnahmeflansch 1.3 des mehrteiligen Motorgehäuses verbunden.
Ebenfalls mit der Antriebswelle 2 ist ein Wellgetriebe gekoppelt. Hierzu weist die Antriebswelle 2 einen Wave Generator des Wellgetriebes auf oder ist mit diesem drehfest verbunden. Ein Flexspline 4.1 des Wellgetriebes bildet einen Teil von dessen Abtrieb 4 bzw. ist mit diesem drehfest verbunden. Ein Circular Spline 4.2 des Wellgetriebes ist teilweise in einem Getriebegehäuseteil 1.1 des Motorgehäuses angeordnet.
Mit der Antriebswelle 2 ist ein Antriebsencoder 5.1 gekoppelt, mit dem Abtrieb des Wellgetriebes ein Abtriebsencoder 5.2.
Mit dem Antriebsencoder 5.1 und dem Abtriebsencoder 5.2 ist ein Servoregler 6 signalverbunden, der auch mit einem Lastsensor 7 signalverbunden ist, um auf Signalen des Lastsensors basierende Daten, gegebenenfalls über weitere der Servoregler, an die Roboterarmsteuerung 200 weiterzugeben.
Fest mit dem Motorgehäuse 1 ist eine Hohlwelle 8 zur axialen Kabeldurchführung durch die Antriebseinheit verbunden.
Die Antriebswelle 2 ist über ein Wälzlager 9 an dem Motorgehäuse und über ein Wälzlager 10 an dem Abtrieb des Wellgetriebes drehbar gelagert und umgreift die Hohlwelle 8.
Der Abtrieb des Wellgetriebes ist über ein Wälzlager 11 drehbar an dem Getriebegehäuseteil 1.1 des Motorgehäuses gelagert.
Die Haltebremse 3 und der Servoregler 6 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Wellgetriebes angeordnet, der Servoregler 6, der Antriebsencoder 5.1 und der Abtriebsencoder 5.2 auf derselben Seite des Wellgetriebes (links in Fig. 2).
Ein Stator 12 des Servomotors ist stoffschlüssig mit dem Motorgehäuse 1 verbunden. Das Motorgehäuse 1 weist einen Deckel 1.2 zum Einführen des Stators und der Haltebremse auf, durch den Versorgungskabel des Servomotors und der Haltebremse ins Innere des Motorgehäuses 1 geführt sind.
Die Antriebseinheit weist einen im Stator 12 integrierten Temperatursensor 13 zur Erfassung einer Temperatur der Antriebseinheit auf, der mit dem Servoregler 6 kommuniziert.
Bei dem Roboterarm 100 sind eine oder mehrere der Antriebseinheiten A1-A7 wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 2 erläutert ausgebildet, wobei vorzugsweise bei einer oder mehreren dieser Antriebseinheiten jeweils das Motorgehäuse 1 mit einem endflaschseitigen Strukturglied des Roboters und der Abtrieb des Wellgetriebes mit einem basisseitigen Strukturglied des Roboters verbunden ist. Zur Verdeutlichung ist bei den Antriebseinheiten A1 , A2 jeweils das Motorgehäuse 1 schematisiert durch fette gestrichelte Linien angedeutet.
Die Antriebseinheiten A1-A7, insbesondere deren Servorregler 6, sind in Serie miteinander kabelverbunden, wobei der basisfeste Servorregler der Antriebseinheit A1 mit einer Schnittstelle 130 zur Kommunikation mit der Roboterarmsteuerung 200 signal- bzw. kabelverbunden ist.
Die Antriebswelle 2 ist über Radialwellendichtringe 14, 15 abgedichtet, der Abtrieb des Wellgetriebes über Radialwellendichtring 16.
Das Drehlager 11 ist über einen inneren Lagerdeckel 17.1 und einen äußeren Lagerdeckel 17.2 angebunden.
In der vorliegenden Offenbarung impliziert „weist ein X auf“ allgemein keine abschließende Aufzählung, sondern ist eine Kurzform von „weist wenigstens ein X auf“ und umfasst auch „weist zwei oder mehr X auf“ sowie „weist außer X auch Y auf“. Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Bezugszeichenliste
1 Motorgehäuse
1.1 Getriebegehäuseteil
1.2 Deckel
1.3 Aufnahmeflansch
2 Antriebswelle
3 Haltebremse
4 Abtrieb
4.1 Flexspline
4.2 Circular Spline
5.1 Antriebsencoder
5.2 Abtriebsencoder
6 Servoregler
7 Lastsensor
8 Hohlwelle
9, 10 Lager
11 (Dreh)Lager
12 Stator
13 Temperatursensor
14, 15 Radialwellendichtring
16 Radialwellendichtring
17.1 innerer Lagerdeckel
17.2 äußerer Lagerdeckel
100 Roboterarm
110 Basis
120 Endflansch
130 Schnittstelle
200 Roboterarmsteuerung
A1 , A2, A3, A4,
A5, A6, A7 Antriebseinheit; Drehantrieb

Claims

Patentansprüche
1. Modulare Antriebseinheit (A1 , A2, A3, A4, A5, A6, A7) zum Verstellen eines Drehgelenks eines Roboterarms (100), wobei die Antriebseinheit aufweist: einen Servomotor mit einem Motorgehäuse (1 , 1.1 , 1.2, 1.3) und einer Antriebswelle (2); ein mit der Antriebswelle gekoppeltes Wellgetriebe (4.1 , 4.2); eine mit der Antriebswelle gekoppelte Haltebremse (3); einen Antriebsencoder (5.1) zum Erfassen einer Position der Antriebswelle; einen Abtriebsencoder (5.2) zum Erfassen einer Position eines Abtriebs (4) des Wellgetriebes; einen mit dem Antriebsencoder und dem Abtriebsencoder signalverbundenen Servoregler (6); einen Lastsensor (7); und eine Hohlwelle (8) zur axialen Kabeldurchführung durch die Antriebseinheit.
2. Antriebseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (2) an dem Motorgehäuse (1) und/oder dem Abtrieb (4) des Wellgetriebes drehbar gelagert ist und/oder die Hohlwelle (8) umgreift und/oder der Abtrieb (4) des Wellgetriebes drehbar an dem Motorgehäuse (1 , 1.2) gelagert ist.
3. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltebremse eine elektrische und/oder selbstschließende Bremse und/oder, insbesondere randseitig, in dem Motorgehäuse angeordnet ist.
4. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltebremse und der Servoregler auf gegenüberliegenden Seiten des Wellgetriebes und/oder der Servoregler und der Antriebsencoder und/oder Abtriebsencoder auf derselben Seite des Wellgetriebes angeordnet sind.
5. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (12) des Servomotors stoffschlüssig mit dem Motorgehäuse verbunden ist und/oder das Motorgehäuse einen Deckel (1.2) zum Einführen des Stators und/oder der Haltebremse und/oder wenigstens einen Getriebegehäuseteil (1.1) aufweist.
6. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit einen Temperatursensor (13) zur Erfassung einer Temperatur der Antriebseinheit aufweist.
7. Roboterarm (100) mit mehreren Drehantrieben (A1 , A2, A3, A4, A5, A6, A7) zum Verstellen je eines Drehgelenks des Roboterarms, wobei wenigstens einer dieser Drehantriebe eine Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
8. Roboterarm nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboterarm eine Basis (110) und einen Endflansch (120) aufweist und bei wenigstens einer der Antriebseinheiten das Motorgehäuse mit einem endflaschseitigen Strukturglied des Roboters und der Abtrieb des Wellgetriebes mit einem basisseitigen Strukturglied des Roboters verbunden ist.
9. Roboterarm nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7-8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Antriebseinheiten in Serie miteinander kabelverbunden sind und/oder wenigstens ein Servorregler einer Antriebseinheit mit einer Schnittstelle (130) des Roboterarms zur Kommunikation mit einer Roboterarmsteuerung (200) signalverbunden ist.
10. Roboterarm nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens sechs, insbesondere wenigstens sieben, durch die Antriebseinheiten verstellbare Drehgelenke aufweist und/oder als Cobot eingerichtet ist.
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