Waagerecht rückschwenkbarer Roboter mit einem
senkrecht wirkenden Aktor
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen waagerecht
drehbaren (rückschwenkbaren) Roboter.
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Es ist allgemein bekannt, einen Zylinderkoordinaten-Roboter zur
Materialbeförderung, zum Transportieren von schweren Gütern usw.
zu benutzen. Der Zylinderkoordinaten-Roboter, welcher einen
ersten, direktwirkenden Betätigungsteil (im folgenden "Aktor")
hat, der zur Schwenkbewegung auf einer Basis angeordnet ist und
sich senkrecht von dem Roboter erstreckt, und einen zweiten,
direktwirkenden Aktor hat, welcher sich waagerecht erstreckt,
ist derart beschaffen, daß der zweite Aktor mittels des ersten
prismatischen Aktors in senkrechter Richtung bewegt und ein Arm
in der waagerechten Richtung durch den zweiten Aktor getrieben
wird, um auf diese Weise einem Endeffektor, der an dem Arm
angebracht ist, zu gestatten, verschiedene Arbeitsvorgänge
durchzuführen. Demzufolge hat der Zylinderkoordinaten-Roboter
einen Vorteil, wie eine hohe Wiederholbarkeitsrate. Ein
derartiger Roboter ist in der Druckschrift EP-A-0 012 237
offenbart. Indessen weist dessen Basis große Abmessungen auf und
der erste Aktor muß mit einem Antriebsmechanismus verbunden
sein, der in der Basis untergebracht ist, so daß der
Zusammenbau, die Wartung und der Transport des Roboters viel
Arbeit erfordert, was höhere Kosten mit sich bringt und einen
ausgedehnten Roboter-Aufstellungsraum erforderlich macht. Da die
untere Bewegungsgrenzposition des zweiten Aktors hoch liegt, ist
darüber hinaus der Arbeitsbereich des Roboters eng.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
waagerecht drehbaren (im folgenden: rückschwenkbaren) Roboter zu
schaffen, der die zuvor angegebenen Nachteile des herkömmlichen
Zylinderkoordinaten-Roboters beseitigt und in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel kleine Abmessungen haben kann, ein geringers
Gewicht aufweist, einen weiten Arbeitsbereich besitzt und eine
Verringerung der Kosten für seine Herstellung, seinen
Zusammenbau, seine Wartung und seinen Transport erlaubt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein waagerecht
rückschwenkbarer Roboter vorgesehen mit einem senkrecht wirkenden
Aktor und enem durch diesen getriebenen Schieber, der einen
Manipulator trägt, welcher mit dem Schieber an dessen
körpernahem Endteil verbunden ist, wobei der Manipulator
zumindest ein waagerecht rückschwenkbares Gelenk enthält und
für eine Schwenkbewegung innerhalb einer waagerechten Ebene
angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor enthält:
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eine Vorschubspindel, die sich senkrecht von dem Roboter aus
für den Schieber mit dem Manipulator erstreckt, um diesen mit
der Drehung der Vorschubspindel in Längsrichtung hin- und
herzubewegen,
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einen Ständer, der ein oberes Plattenteil, das die
Vorschubspindel an einem oberen Ende der Vorschubspindel drehbar
lagert, und eine untere Platte enthält, die von dem Roboter aus
von dem oberen Plattenteil in senkrechter Richtung einen
Abstand aufweist und als eine Basis für den Roboter als Ganzes
wirkt, und
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eine Antriebseinheit, die auf der oberen Oberfläche der
unteren Platte angeordnet ist und oberhalb der oberen Oberfläche
mit einem unteren Ende der Vorschubspindel zum Antreiben der
Vorschubspindel zu ihrer Drehung verbunden ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie zuvor beschrieben
ist, ist der Manipulator, welcher innerhalb einer waagerechten
Ebene schwenkbar ist, senkrecht im Einklang mit dem senkrecht
wirkenden Schieber bewegbar, und es besteht keine Notwendigkeit
von Elementen, die der Basis mit großen Abmessungen und dem
Antriebsmechanismus des herkömmlichen
Zylinderkoordinaten-Roboters, welcher darin untergebracht ist, entsprechen. Als
Ergebnis kann der Roboter in seinen Abmessungen kompakt, mit
geringem Gewicht und einfach in seiner Konstruktion hergestellt
werden. Demzufolge sind das Zusammenbauen, das Zerlegen und der
Transport des Roboters erleichtert, die Kosten für die
Herstellung,
das Zusammenbauen, die Wartung und den Transport
können gesenkt werden, und die Zuverlässigkeit kann verbessert
werden. Ferner besteht keine Notwendigkeit eines ausgedehnten
Aufstellungsraums. Darüber hinaus liegt die untere
Bewegungsgrenzposition des Manipulators niedrig, so daß der
Arbeitsbereich des Roboters weit ist.
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Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht, die
einen waagerecht rückschwenkbaren Roboter gemäß
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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Fig. 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht, die
einen direktwirkenden Aktor darstellt.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht des
direktwirkenden Aktors gesehen längs einer Linie III-III in Fig. 2.
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Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht, die
einen herkömmlichen Zylinderkoordinaten-Roboter
darstellt.
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Fig. 5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht, die
einen weiteren herkömmlichen
Zylinderkoordinaten-Roboter darstellt.
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Ein herkömmlicher Zyinderkoordinaten-Roboter wird kurz anhand
von Fig. 4 u. Fig. 5 beschrieben.
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Der herkömmliche Zylinderkoordinaten-Roboter umfaßt eine Basis
1, einen ersten direktwirkenden Aktor 2, der auf der Basis zur
Schwenkbeewegung angeordnet ist, und einen zweiten Aktor 3, der
senkrecht durch den zuvor genannten Aktor getrieben wird. Der
erste Aktor 2 wird um eine Schwenkachse (Θ-Achse) mittels eines
Antriebsmechanismus gedreht, der in der Basis 1 untergebracht
ist, so daß eine Vorschubspindel 2a des ersten Aktors 2 gedreht
wird, um den zweiten Aktor 3 längs einer ersten
Verschiebungsachse (Z-Achse)
zu bewegen, und ein Arm 3a wird längs einer
zweiten Verschiebungsachse (R-Achse) mittels des zweiten Aktors
2 getrieben. In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen α, ß
u. χ Schwenkachsen eines Handteils, das an dem körperfernen
Ende des Arms 3a angebracht ist.
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Die Basis 1 muß eine mechanische Festigkeit haben, die hoch
genug ist, um den ersten und den zweiten Aktor 2 u. 3 sowie ein
zu tranportierendes Gut usw. zu tragen, und sollte in der Lage
sein, den Antriebsmechanisms aufzunehmen, so daß deren äußere
Abmessungen und deren Gewicht beträchtlich sind. Ferner ist es
notwendig, die Vorschubspindel 2a des ersten Aktors zum Drehen
mittels der Basis 1 zu tragen und die Spindel und den
Antriebsmechanismus miteinander zu verbinden. Folglich wird ein
ausgedehnter Aufstellungsraum benötigt, und der Zusammenbau, die
Wartung und der Transport des Roboters erfordern viel Arbeit,
so daß die Kosten ansteigen. Da die untere
Bewegungsgrenzposition des zweiten Aktors 3 hoch liegt, ist es darüber hinaus
schwierig, den Arm 3a nahe an der Bodenoberfläche zu bewegen,
und der Arbeitsbereich des Roboters ist eng.
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Gemäß Fig. 1 ist ein waagerecht rückschwenkbarer (mit Gelenken
versehener Zylinderkoordinaten-)Roboter) gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung derart beschaffen, daß
er z. B. Transportvorgänge durchführen kann. Der Roboter umfaßt
einen sekrecht direktwirkenden oder prismatischen Aktor 100 und
einen nachgeordneten Manipulator 200, der vorgesehen ist, um
senkrecht von dem Roboter aus mittels des Aktors bewegt zu
werden. Der Aktor 100 ist derart angeordnet, daß er einen Schieber
30 veranlaßt, sich längs einer Vorschubspindel 21 einer durch
einen Ständer 10 gehaltenen Vorschubspindeleinheit 20 hin- u.
herzubewegen, wenn eine Antriebseinheit 40 betätigt wird, um
dadurch den direktwirkenden Manipulator 200, dessen körpernaher
Endteil init dem Schieber 30 verbunden ist, zu veranlassen, sich
senkrech in bezug auf den Roboter hin- u. herzubewegen.
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Der direktwirkende Manipulator 200 enthält ein Verbindungsteil
210, das an der oberen Oberfläche des Schiebers 30 des
direktwirkenden Aktors 100 befestigt ist, um so zusammen mit dem
Schieber bewegbar zu sein. Ein erstes Gelenkteil 220 ist mit
seinem Verbindung steil (erstes waagerecht rückschwenkbares
Gelenk) 221 mit dem körpernahen Ende des Verbindungsteil 210 so
verbunden, daß es relativ zu dem Verbindungsteil 210 drehbar
ist, wobei das Verbindungsteil an dem inneren Ende des
Verbindungsglieds 220 vorgesehen ist. Außerdem ist ein erster
Servomotor 230, der dazu benutzt wird, die Arbeitsstellung des
ersten waagerecht rückschwenkbaren Gelenks zu ändern, d. h. das
erste Verbindungsglied 220 innerhalb der waagerechten Ebene um
eine erste Schwenkachse des Roboters zu drehen, die sich
rechtwinklig zu dem ersten waagerecht rückschwenkbaren Gelenk
erstreckt, zu drehen, an dem Verbindungsteil 210 oder dem
Schieber 30 unter Benutzung eines geeigneten Mittels (nicht gezeigt)
befestigt. Ferner ist ein zweites Gelenkteil 240 an einem Ende
desselben mit einem Verbindungsteil (zweites waagerecht
rückschwenkbares Gelenk) 222 an dem äußeren Ende des ersten
Gelenkteils 220 verbunden, so daß es relativ zu dem ersten Gelenkteil
220 drehbar ist. Außerdem ist ein zweiter Servomotor 250 zum
Schwenken des zweiten Gelenkteils 240 innerhalb einer
waagerechten Ebene um eine zweite Schwenkachse des Roboters, die
sich rechtwinklig zu dem zweiten waagerecht rückschwenkbaren
Gelenk erstreckt, an dem ersten Gelenkteil 220 unter Benutzung
eines geeigneten Mittels (nicht gezeigt) befestigt. Darüber
hinaus ist ein Gelenktell (nicht gezeigt) des Manipulators 200 an
dem körperfernen Ende des zweiten Gelenkteils 240 angebracht,
und ein Endeffektor (Roboterhand zum Transportieren in dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel, nicht gezeigt) für verschiedene
Arbeitsvorgänge ist an dem Handteil angebracht. Das
Bezugszeichen 260 bezeichnet einen Servomotor zum Steuern der Lage des
Handteils. Weitere Servomotoren zur Steuerung der Handteillage
und ein getriebsmechanisinus zum Öffnen und Schließen der
Roboterhand sind nicht gezeigt.
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Gemäß Fig. 2 u. Fig. 3 hat der Ständer 10 des direktwirkenden
Aktors 100 ein Paar von Endwandungen 11, die sich parallel zu
einer Verschiebungsachse 300 des Roboters erstrecken und
voneinander einen Abstand aufweisen. Die oberen und unteren Enden
jeder Endwandung 11 sind an einer oberen Platte 12 bzw. einer
unteren Platte 13 befestigt. Beispielsweise ist jede Endwandung
11 aus einem U-Stahlteil gebildet, und oberen und unteren
Platten 12 u. 13 sind jeweils aus einer Stahlplatte gebildet. Diese
Elemente 11 bis 13 sind an deren Verbindungsstellen miteinander
verschweißt, so daß der Ständer 10 als ganzes einen festen
Körper bildet. Die Endwandungen 11 und die oberen und unteren
Platten 12 u. 13 haben ihre jeweils erforderlichen Dicken für
die mechanische Festigkeit, die hoch genug ist, um den gesamten
Roboter und ein zu transportierendes Gut zu tragen. Es sind
vordere und hintere Abdeckungen 15 u. 16 (Fig. 3) auf der
Seite, die dem Schieber 30 des Ständers 10 gegenüberliegt, bzw.
auf der Seite, die von dem Schieber abgewandt ist, angeordnet.
Diese zwei Abdeckungen wirken mit den Endwandungen 11 zusammen,
um einen Raum zu definieren, in welchem die Vorschubspindel 21
und verschiedene Elemente, welche später angegeben sind,
untergebracht sind.
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An der oberen Oberfläche der Basisplatte 13 ist ein Servomotor
41 befestigt, und dessen Ausgangswelle (nicht gezeigt) ist mit
der Eigangsseite eines Reduktionsgetriebes (nicht gezeigt)
verbunden, das in einem Getriebegehäuse 42 untergebracht ist,
welches an der oberen Oberfläche der Basisplatte 13 beispielsweise
mittels Schrauben befestigt ist. Der Servomotor 41 wirkt mit
dem Reduktionsgetriebe zusammen, um die Antriebseinheit 40 für
die Verschiebungsachse 300 zu bilden. Der Servomotor 41 ist
zusammen mit den Servomotoren 230, 250 u. 260 des Manipulators
200 und mit internen Sensoren (nicht gezeigt) des Manipulators
200 mit einer numerischen Steuereinheit (nicht gezeigt) zum
Steuern des Triebs der Servomotoren mittels eines Kabelbaums 51
(Fig. 3) verbunden, der durch einen Kabelaufnahmeschacht 50
gehalten ist, welcher an dem Schieber 30 befestigt ist.
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Die Vorschubspindeleinheit 20 enthält die Vorschubspindel,
we1che vorzugsweise aus einer Kugelumlaufspindel 21 gebildet ist.
Zine Lagereinheit 22, welche die Kugelumlaufspindel 21 in einer
ise tragt, daß eine relative Axialbewegung verhindert ist,
st an dein oberen Ende der Kugelumlaufspindel 21 angebracht.
Zie Lagereinheit 22 ist entfernbar in eine Ausnehmung 12a
eingesetzt, die in der Seitenkante der oberen Platte 12 des
Ständers 10 ist derart auf der Seite, welche dem Schieber 30
gegenüberliegt, ausgebildet, daß sie in Ausrichtung mit der
Verschiebungsachse 300 liegt und sich durch die obere Platte 12
erstreckt. Das äußere Ende der Ausnehmung 12a öffnet sich zu
der Endfläche der oberen Platte 12 hin auf der Seite, die dem
Schieber 30 gegenüberliegt, so daß die Kugelumlaufspindel 21
durch die Ausnehmung 12a verlaufen kann. Das untere Ende der
Kugelumlaufspindel 21 ist entfernbar mit dem Reduktionsgetriebe
verbunden, das in dem Getiebegehäuse 42 untergebracht ist.
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Der Schieber 30 enthält einen Hauptkörperteil 31, der
einstükkig an seinem unteren Teil mit einem Paar von Führungsteilen 32
ausgebildet ist, die nach außen von den einander abgewandten
Seiten des Schieberkörpers 31 vorstehen. Diese Führungsteile 32
stehen einzeln verschiebbar in Eingriff mit einem Paar von
Führungsschienen 14, die einzeln mit den Endflächen der paarweise
vorgesehenen Endwandungen 11 des Ständers 10 auf der Seite
beestigt sind, welche dem Schieber 30 gegenüberliegt. Ferner ist
ein Plattenteil 33, das in Richtung auf die Kugelumlaufspindel
21 vorsteht und sich quer zu der Kugelumlaufspindel 21
erstreckt, an dem unteren Teil des Schieber-Hauptkörperteils 31
einstückig mit diesem ausgebildet. An der körperfernen Endkante
des Plattenteils 33 auf der Seite, die der Kugelumlaufspindel
21 gegenüberliegt, ist eine Ausnehmung (nicht gezeigt) ähnlich
der Ausnehmung 12a ausgebildet, und deren Ende öffnet sich zu
der Endfläche des Plattenteils 33 auf der Seite hin, die der
Kugelumlaufspindel 21 gegenüberliegt. Der Schieber 30 enthält
erner eine Kugelmutter 34, die über Gewinde mit der
Kugelumffiaufspindel 21 in Eingriff steht, und die Kugelmutter 34 ist an
dem Plattenteil 33 in einer Weise befestigt, daß sie in die
Ausnehmung des Plattenteils 33 eingesetzt ist. Das
Bezugszeihen 35 (Fig. 3) bezeichnet ein Dichtungsteil, das, wobei es
auf jeder Seitenfläche des Schieber-Hauptkörperteils 31
angebracht ist, relativ zu der vorderen Abdeckung 15 des Ständers
10 verschiebbar ist.
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Im folgenden wewrden die Vorgänge zum Zusammenbauen des
Roboters, der wie zuvor beschrieben konstruiert ist, erklärt.
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Nachdem zunächst die Antriebseinheit 40 auf der Basisplatte 13
des Ständers 10 angeordnet wird, werden die Führungsteile 32
einzeln auf die Führungsschienen 14 gesetzt, und dann wird der
Schieber 30, der zuvor mit dem Kabelbaum 51 mittels des
Kabelaufnahmeschachts 50 fest verbunden wurde, auf dem Ständer 10
montiert. Anschließend wird die Kugelmutter 34 mit der
Kugelumlaufspindel 21 in Eingriff gebracht, und die Lagereinheit 22
wird auf dem oberen Ende der Kugelumlaufspindel 21 montiert.
Dann wird der untere Endteil der Kugelumlaufspindel 21 diagonal
in den inneren Raum des Ständers 10 eingeführt, und die
Kugelumlaufspindel 21 wird dann aufrecht gestellt, so daß der obere
Endteil der Kugelumlaufspindel 21 in die Ausnehmung 12a der
oberen Platte 12 des Ständers 10 eingesetzt wird. Dann wird das
untere Ende der Kugelumlaufspindel 21 mit dem
Reduktionsgetriebe in dem Getriebegehäuse 42 von oben her verbunden. Dann wird
die Lagereinheit 22 an der oberen Platte 12 in einer Weise
befestigt, daß sie in der Ausnehmung 12a sitzt. Danach wird die
Kugelmutter 34 an dem Plattenteil 33 befestigt, wobei dieselbe
in die Ausnehmung eingesetzt wird. Ferner werden die vorderen
und hinteren Abdeckungen 15 u. 16 und dergl. montiert,
woraufhin der Zusammenbau des direktwirkenden Aktors 100 beendet ist.
In dieser Weise kann die Kugelumlaufspindel 21 von der Seite
des Schiebers des Ständers 10 aus montiert werden, so daß der
Aktor 100 schnell und sicher selbst in einem engen Arbeitsraum
zusammengebaut werden kann. Danach wird das Verbindungsteil 210
des Manipulators 200 an dem Schieber 30 befestigt, die ersten
und zweiten Verbiondungsglieder 210 u. 240 werden ferner
aufeinanderfolgend verbunden, und die Servomotoren 230, 250 u. 260
werden montiert, woraufhin der Zusammenbau des Roboters beendet
ist.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise des waagerecht
rückschwenkbaren Roboters beschrieben.
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Wenn der Roboter betrieben wird, dreht der Servomotor 41 in
Reaktion auf ein Ausgangssignal, welches von der numerischen
Steuereinheit des Roboters zugeführt wird, bei einer
erforderlichen Geschwindigkeit in einer Drehrichtung, die dem
Steuerausgangssignal entspricht. Die Drehkraft des Motors wird durch
das Reduktionsgetriebe auf die Kugelumlaufspindel 21
übertragen, um dadurch die Kugelumlaufspindel zu drehen, so daß die
Kugelmutter, die in Eingriff mit der Kugelumlaufspindel steht,
und der Schieber 30 gemeinsam damit längs der
Kugelumlaufspinde1 21 durch die Führungsschienen 14 geführt wird, um stetig
zusammen mit dem Manipulator 200 um eine erforderliche Distanz
auf- u. abbewegt zu werden. Unterdessen wird ein
Rückkopplungssignal aus dem zugeordneten internen Sensor des Aktors
100, das hinweisend auf die tatsächlich Bewegungsposition des
Schiebers 30 in der Höhenrichtung des Roboters ist, der
numerischen Steuereinheit zugeführt. Die numerische Steuereinheit
führt in herkömmlicher Weise eine Rückkopplungssteuerung durch,
um dadurch den Schieber 30 und den Manipulator 200 in
erforderlichen Stellungen in senkrechter Richtung zu positionieren.
Ferner werden in gleicher Weise die Servomotoren 230 u. 250
durch die numerische Steuereinheit rückkopplungsgesteuert. Als
Ergebnis drehen sich die ersten und zweiten Gelenkteile 220 u.
240 des Manipulators 200 durch einen erforderlichen
Winkelbereich innerhalb der waagerechten Ebene um die ersten bzw.
Schwenkachsen, um dadurch den Handteil des Manipulators 200 in
einer erforderlichen Stellung innerhalb der waagerechten Ebene
zu Positionieren. Dann werden der Servomotor 280 und dergl. in
gleicher Weise gesteuert, so daß die Lage des Handteils und
demzufolge diejenige der Roboterhand gesteuert werden. Nach all
diesen Vorgängen nimmt die Roboterhand eine erforderliche
osition und Lage in dem Roboter-Aufstellungsraum an. Darüber
hinaus iso, da der Aktor 100 dicht an der Bodenoberfläche
bewegt werden kann, auf die der Roboter gestellt ist, der
Arbeitsbereroh des Roboters weit. Ferner wird, falls dies
erforderlich ist, die Roboterhand so gesteuert, daß sie in
herkömmlicher Weise geschlossen oder geöffnet wird, um dadurch das
Gut, das zu transportieren ist, zu greifen oder freizugeben.
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Der Ständer 10 trägt sich bewegende Teile, wie den Schieber 30,
den Aktor 100 und den Manipulator 200, mit Hilfe der
Kugelumlaufspindel 21 und der oberen Platte 12 und widersteht in
zufriedenstellender Weise verschiedenen Momenten, die mit der
senkrechten Bewegung des Aktors 100 und der Schwenkbewegung des
Manipulators 200 erzeugt werden. Demzufolge widersteht der
Ständer 10 verschiedenen Kräften im Betrieb, die in der axialen
Richtung der Kugelumlaufspindel 21 wirken, so daß keine
speziellen axialen Kräfte auf das Getriebegehäuse 42 und das
Reduktionsgetriebe, welches darin untergebracht ist, wirken. Im
Hinblick darauf sind das Getriebegehäuse 42 und das
Reduktionsgetriebe in ihrer Größe kompakt und leicht im Gewicht ausgeführt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt, und es können verschiedene
Modifikationen ausgeführt werden. Obgleich der Transport-Roboter
beispielhaft anhand des zuvor angegebenen Ausführungsbeispiels
beschrieben worden ist, kann der Roboter derart modifiziert
werden, daß er jede beliebige Operation durchführen kann.
Obgleich der zuvor beschriebene Roboter mit einem seriell
verbundenen Manipulator versehen ist, der zwei waagerecht
rückschwenkbare Gelenke enthält, kann alternativ dazu ein seriell
oder parallel verbundener Manipulator benutzt werden, der eine
erforderliche Anzahl von waagerecht rückschwenkbaren Gelenken
enthält.