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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Robotergelenk, insbesondere mit Gravitationskompensation.
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Bei bestehenden robotischen Systemen ohne Gewichts-/Gravitationskompensation müssen Roboter während des Haltens zusätzliche Energie in das System stecken, um die auftretenden Gewichtskräfte zu kompensieren und den Manipulator gezielt in einer Position zu halten.
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Bestehende Gravitationskompensationen werden oft über Drehmomentmessungen und Softwarelösungen umgesetzt. Hierzu ist jedoch eine ständige Energieversorgung erforderlich, so dass auch zu den Ruhezeiten des Roboters ein Energieverbrauch vorliegt. Bei bekannten mechanischen Lösungen wird die Position des Gelenks in einem Gleichgewichtspunkt über eine Feder gehalten. Es wird keine zusätzliche Halteenergie (bereitgestellt durch die Energieversorgung des Roboters) benötigt. Jedoch ist es hierzu erforderlich, für jede Richtung eines Freiheitsgrades eine separate Feder vorzusehen. Somit sind pro Freiheitsgrad zwei Federn erforderlich, was zu einem sehr komplexen und damit teuren System führt und besonders zu einem hohen Gewicht des Aufbaus führt.
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Als weiterer Nachteil ergibt sich, dass nur eine ungenügende Anpassbarkeit des Systems existiert, da lediglich zwei freie Parameter pro Freiheitsgrad existieren, nämlich gerade die Federkonstanten der vorgesehenen zwei Federn pro Freiheitsgrad.
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US 2013/0180353 A1 beschreibt einen Roboterarm mit einer Gravitationskompensation mit einem ersten Rotationselement und einem zweiten Rotationselement, wodurch eine Bewegung mit zwei Freiheitsgraden erzeugt wird. Dabei weist der Roboterarm eine Gravitations- bzw. Gewichtskompensation auf, die mit dem ersten Rotationselement oder dem zweiten Rotationselement verbunden ist zur Kompensation der Gravitation des ersten Rotationselements oder des zweiten Rotationselements durch die Federkraft eines elastischen Elements.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Robotergelenk mit einer Gravitationskompensation zu schaffen, welches einfacher aufgebaut ist und einfacher angepasst werden kann an unterschiedliche Anforderungen.
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Das erfindungsgemäße Robotergelenk weist mindestens ein Segment auf, wobei das Segment über ein Gelenk, insbesondere ein Drehgelenk mit einer Basis verbunden ist. Dabei weist das Gelenk eine erste Rotationsachse auf, um die das Segment bewegt werden kann in einer ersten Bewegungsebene. Mit der Basis ist ein Federelement verbunden, wobei es sich hierbei insbesondere um eine mechanische Feder handelt. Das Federelement ist über ein Kraftübertragungselement mit einem Auslenkpunkt des Segments verbunden. Bei dem Auslenkpunkt handelt es sich um einen Punkt des Segments, welcher beabstandet zur Rotationsachse angeordnet ist, so dass gegenüber der Rotationsachse eine Auslenkung des Segments erfolgt. Erfindungsgemäß wird das Kraftübertragungselement durch ein erstes Umlenkelement umgelenkt, wobei die Umlenkung in der ersten Bewegungsebene erfolgt. Durch das Umlenkelement ist es möglich, das Federelement als Gravitationskompensation für beide Bewegungsrichtungen innerhalb der ersten Bewegungsebene zu verwenden. Somit wird lediglich ein Federelement für den Freiheitsgrad, geschaffen durch die erste Rotationsachse, benötigt zur Gravitationskompension. Somit wird der Aufbau vereinfacht, da lediglich eine Feder erforderlich ist für einen Freiheitsgrad und insbesondere für zwei Bewegungsrichtungen innerhalb der ersten Bewegungsebene. Durch den vereinfachten Aufbau können Kosten gespart werden sowie Bauraum und Gewicht des Aufbaus reduziert werden. Des Weiteren ermöglicht das Umlenkelement eine bessere Anpassmöglichkeit des Drehmomentverlaufs der Gravitationskompensation an das tatsächlich auftretende Moment am Segment.
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Erfindungsgemäß weist das Gelenk eine zweite Rotationsachse auf zur Bewegung des Segments in einer zweiten Bewegungsebene. Dabei ist die zweite Bewegungsebene verschieden von der ersten Bewegungsebene. Insbesondere handelt es sich dann bei dem Gelenk um ein Kardangelenk mit schneidenden oder versetzten Achsen oder ein Kugelgelenk. Bei Vorliegen einer zweiten Rotationsachse wird das Kraftübertragungselement durch ein zweites Umlenkelement umgelenkt in der zweiten Bewegungsebene. Somit ist auch bei Vorsehen einer zweiten Rotationsachse lediglich ein Federelement erforderlich. Durch das Umlenken des Kraftübertragungselements durch das erste Umlenkelement erfolgt eine Gravitationskompensation in der ersten Bewegungsebene insbesondere für den ersten Freiheitsgrad und durch das zweite Umlenkelement erfolgt eine Gravitationskompensation für die Bewegung um die zweite Rotationsachse, insbesondere für den zweiten Freiheitsgrad. Somit ist der Aufbau vereinfacht. Gewicht und Bauraum des Aufbaus können reduziert werden, wodurch Kosten gespart werden können. Des Weiteren ermöglicht das zweite Umlenkelement eine bessere Anpassmöglichkeit des Drehmomentverlaufs der Gravitationskompensation an das tatsächlich auftretende Moment am Segment.
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Erfindungsgemäß ist das zweite Umlenkelement, ausgehend von dem Federelement entlang des Kraftübertragungselements, nach dem ersten Umlenkelement angeordnet. Dabei ist das zweite Umlenkelement schwenkbar um eine Drehachse, wobei die Drehachse im Umlenkpunkt des ersten Umlenkelements angeordnet ist. Erfolgt somit ein Umlenken des Kraftübertragungselements durch das erste Umlenkelement, so erfolgt ein entsprechendes Verschwenken des zweiten Umlenkelements um die Drehachse bzw. den Umlenkpunkt des ersten Umlenkelements. Hierdurch kann das Kraftübertragungselement auf einfache Weise, ausgehend von dem Federelement über das erste Umlenkelement und sodann über das zweite Umlenkelement umgelenkt werden und an den Auslenkpunkt des Segments angreifen. Hierdurch wird ein einfacher Aufbau geschaffen, der ein Umlenken des Kraftübertragungselements in der ersten Bewegungsebene und ebenfalls in der zweiten Bewegungsebene erlaubt.
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Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem ersten Umlenkelement und der Feder veränderbar. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist der Abstand zwischen dem ersten Umlenkelement unter dem Auslenkpunkt veränderbar. Durch diese Änderungen lässt sich das Robotergelenk an die jeweiligen Anforderungen anpassen. Insbesondere ist es möglich, den Abstand zwischen dem ersten Umlenkelement und der Feder und/oder den Abstand zwischen dem ersten Umlenkelement und dem Auslenkpunkt dynamisch, also während des Betriebs zu verändern. Hierdurch ist eine dynamische Anpassung an die Gewichtsbelastung des Segments möglich. Hierdurch kann auch bei unterschiedlich wirkenden Gewichten ein effektives Halten des Segments erfolgen, ohne dass hierzu beispielsweise elektrische Energien durch Stellmotoren erforderlich wären. Somit ergibt sich eine erhöhte Anpassbarkeit des Robotergelenks, da nicht nur die Federkonstante des Federelements angepasst werden kann, sondern auch die vorstehend bezeichneten Abstände.
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Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem ersten Umlenkelement und dem zweiten Umlenkelement veränderbar. Insbesondere kann der Abstand zwischen dem ersten Umlenkelement und dem zweiten Umlenkelement dynamisch geändert werden, also während des Betriebs. Hierdurch kann eine Anpassbarkeit des Robotergelenks an den jeweiligen Belastungszustand erfolgen. Somit ist ein effizientes Halten des Segments in einer vorgegebenen Position auch bei unterschiedlicher Gewichtsbelastung auf einfache Weise möglich. Insbesondere wird ein weiterer Parameter geschaffen, durch den Abstand zwischen dem ersten Umlenkelement und dem zweiten Umlenkelement mittels dem das Robotergelenk neben der Federkonstante anpassbar ist an die jeweiligen Anforderungen.
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Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem zweiten Umlenkelement und der Feder veränderbar. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist der Abstand zwischen dem zweiten Umlenkelement und dem Auslenkpunkt veränderbar. Dies ergibt sich in analoger Weise wie vorstehend bezüglich dem ersten Umlenkelement beschrieben.
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Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Gelenk und dem Auslenkpunkt veränderbar. Hierdurch wird ein weiterer Parameter geschaffen, zur Anpassbarkeit des Robotergelenks. Insbesondere kann der Abstand zwischen dem Gelenk und dem Auslenkpunkt dynamisch verändert werden, also während dem Betrieb zur Anpassung an die vorliegende Gewichtsbelastung des Segments.
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Vorzugsweise ist das Kraftübertragungselement über ein Gelenk mit dem Auslenkpunkt verbunden. Insbesondere handelt es sich bei diesem Gelenk um ein Kugelgelenk oder ein Kardangelenk mit schneidenden Achsen. Besonders bevorzugt ist es jedoch, das Gelenk auszubilden als Kardangelenk mit versetzten Achsen. Somit entsteht ein weiterer Parameter, der für jede Bewegungsebene gewählt werden kann, um die Drehmomentkurve optimal anzupassen, da der Abstand zwischen Auslenkpunkt und Dehpunkt des Segments in der jeweiligen Bewegungsebene unabhängig voneinander gewählt werden kann.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kraftübertragungselement um einen Seilzug und bei dem ersten Umlenkelement und/oder dem zweiten Umlenkelement um eine Seilrolle. Insbesondere handelt es sich bei dem ersten Umlenkelement und dem zweiten Umlenkelement um zwei Seilrollen, welche insbesondere in der jeweiligen Bewegungsebene angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist zwischen der Feder und der Basis ein Kardangelenk oder Kugelgelenk angeordnet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Frontalansicht eines erfindungsgemäßen Robotergelenks und
- 2 eine Seitenansicht des Robotergelenks der 1.
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Das erfindungsgemäße Robotergelenk weist ein Segment 10 auf, welches über ein Gelenk 12 mit einer Basis 14 verbunden ist. Dabei handelt es sich bei dem Gelenk 12 um ein Kardangelenk. Dieses weist eine erste Rotationsachse 16 auf und eine zweite Rotationsachse 18. Das Kardangelenk ist in 1 mit versetzten Achsen dargestellt. Alternativ hierzu können sich die Rotationsachsen 16, 18 des Kardangelenks schneiden. Somit weist das Gelenk 12 zwei Freiheitsgrade auf. Durch die erste Rotationsachse 16 ist das Segment 10 bewegbar in einer ersten Bewegungsebene, welche in den Figuren der y-z-Ebene entspricht. Durch die zweite Rotationsachse 18 ist das Segment 10 in einer zweiten Bewegungsebene bewegbar, welch ein den Figuren der x-z-Ebene entspricht.
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Weiter weist das Robotergelenk ein Federelement ausgebildet als Feder 20 auf. Dieses ist über ein Kardangelenk 22 mit der Basis 14 verbunden. Das der Basis 14 gegenüberliegende Ende der Feder 20 ist über ein Kraftübertragungselement 24 mit einem Auslenkpunkt 26 des Segments 10 verbunden. Dabei handelt es sich bei dem Auslenkpunkt 26 um einen Punkt, der nicht mit der ersten Rotationsachse 16 oder der zweiten Rotationsachse 18 zusammenfällt. Dabei ist das Kraftübertragungselement 24 als Seilzug ausgebildet. Durch ein erstes Umlenkelement 28, ausgebildet als zwei Seilrollen, erfolgt ein Umlenken des Kraftübertragungselements 24 in der ersten Bewegungsebene um einen Umlenkpunkt 30. Dies ist möglich für beide Bewegungsrichtungen des Segments 10, um die erste Rotationsachse 16 bzw. für beide Bewegungsrichtungen in der ersten Bewegungsebene.
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Über ein zweites Umlenkelement 32, welches ebenfalls als zwei Seilrollen ausgebildet ist, wird das Kraftübertragungselement umgelenkt bei einer Auslenkung des Segments 10 in der zweiten Bewegungsebene bzw. um die zweite Rotationsachse 18. Weiterhin ist das zweite Umlenkelement 32, ausgehend von der Feder 20 nach dem ersten Umlenkelement 28 angeordnet. Das zweite Umlenkelement 32 ist dabei verschwenkbar um den Umlenkpunkt 30 des ersten Umlenkelements 28, bei einer Auslenkung des Segments 10 in der ersten Bewegungsebene bzw. um die erste Rotationsachse 16.
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Somit ist es möglich, die Federkraft der Feder 20 als Gravitationskompensation zu nutzen für beide Freiheitsgrade des Gelenks 12 und insbesondere für alle vier Bewegungsrichtungen des Segments in der ersten Bewegungsebene und der zweiten Bewegungsebene. Somit ist lediglich eine Feder erforderlich. Hierdurch wird der Aufbau vereinfacht, da es insbesondere nicht mehr erforderlich ist, für jede Bewegungsrichtung genau eine Feder vorzusehen. Hierdurch können Kosten gespart werden sowie Bauraum und Gewicht des Aufbaus reduziert werden.
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Vorzugsweise kann der Abstand zwischen dem ersten Umlenkelement 28 und dem zweiten Umlenkelement 32 dynamisch also im Betrieb verändert werden. Im dargestellten Beispiel kann sich hierdurch auch gleichzeitig der Abstand zwischen dem ersten Umlenkelement bzw. zweiten Umlenkelement zu der Feder 20 verändern sowie der Abstand vom ersten Umlenkelement 28 bzw. zweiten Umlenkelement 32 zum Auslenkpunkt 26. Durch die Veränderung des Abstands zwischen dem ersten Umlenkelement 28 und dem zweiten Umlenkelement 32 verändert sich die effektiv auf das Segment wirkende Federkraft der Feder 20, wodurch unterschiedliche Belastungszustände des Segments 10 berücksichtigt werden können und für diese jeweils effektiv eine Gravitationskompensation erreicht werden kann. Ein Austauschen der Feder ist hierbei nicht erforderlich und insbesondere kann die Federkonstante k der Feder 20 für alle Belastungszustände des Segments 10 konstant gehalten werden.
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Vorzugsweise kann der Auslenkpunkt 26, als Kardangelenk mit versetzten oder schneidenden Achsen, sowie als Kugelgelenk ausgeführt werden. Bei einem Gelenk mit versetzten Achsen kann für jeden Freiheitsgrad der Krafteingriff der Feder 20 getrennt angepasst werden.