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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Manipulator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem nebengeordneten Anspruch.
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Stand der Technik
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Als Manipulator wird üblicherweise der bewegliche Teil eines Roboteraufbaus bezeichnet, also der Teil eines Roboters, der die mechanische Arbeit durchführt. Als Manipulatoren können auch einzelne Linearachsen von z. B. Werkzeugmaschinen oder Fräsmaschinen betrachtet werden. Besonders bei Manipulatoren, welche aus mehreren zueinander beweglichen Manipulatorelementen aufgebaut sind, kommt eine Mehrzahl von Antrieben zum Einsatz, welche die unterschiedlichen Manipulatorelemente relativ zueinander bewegen. Diese Antriebe werden über Kabel mit Energie versorgt, die als Kabelschlepp ausgebildet sind.
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Die Kombination aus Antrieb, Kabelschlepp und weiteren Teilen des Manipulatorelementes führt dazu, dass gute Dynamik-Eigenschaften des Roboters durch eine hohe Masse der bewegten Teile nur mit starken Antrieben verwirklicht werden können. Dies hat eine Zunahme der zu bewegenden Masse zur Folge und führt somit wiederum zu einem erhöhten Energiebedarf.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des oben genannten Standes der Technik zu beheben oder zumindest zu vermindern, insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, einen hochdynamischen Manipulator mit mindestens einer Achse zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch einen Manipulator gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Die Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Kabelschlepp nicht unbedingt verwendet werden muss. Hierdurch treten weniger Reibungsverluste auf. Des Weiteren wird die zu bewegende Masse reduziert. Hierdurch wird der Einsatz von kleineren Antrieben möglich, welche weniger Energie und Leistung pro Aufgabe benötigen. Der Einsatz kleinerer Antriebe führt wiederum zu einer weiteren Gewichtsreduktion.
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Erfindungsgemäß ist ein Manipulator mit mindestens einem beweglichen Manipulatorelement vorgesehen, wobei an dem beweglichen Manipulatorelement ein Antrieb angeordnet ist, der beispielsweise mit einem festen Element in Wirkverbindung steht Des Weiteren ist am beweglichen Manipulatorelement ein Energiespeicher zum Betreiben des Antriebs angeordnet. Der Antrieb umfasst vorzugsweise ein Getriebe und einen Elektromotor, bevorzugt Drehstrommotor. Das bietet den Vorteil einer besonders großen Laufruhe.
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In der bevorzugten Ausführungsform treibt der Antrieb das bewegliche Manipulatorelement bezüglich einer Achse, beispielsweise definiert durch das feste Element, an. Bei typischen Ausführungsformen treibt der Antrieb ein weiteres bewegliches Manipulatorelement, d. h. nicht das Manipulatorelement, auf dem er angeordnet ist, bezüglich einer Achse an. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist ein weiterer Antrieb auf dem beweglichen Manipulatorelement angeordnet, der ein weiteres bewegliches Manipulatorelement bezüglich einer zweiten Achse antreibt oder ein Werkzeug, Greifer o. Ä. bedient.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energiespeicher ein Kondensator, besonders bevorzugt wird der Einsatz von Doppelschichtkondensatoren. Kondensatoren und insbesondere Doppelschichtkondensatoren bieten der Vorteil einer hohen Leistungsdichte und können daher sehr schnell geladen werden oder auch eingesetzt werden, um kurze aber Strom-intensive Anwendungen zu ermöglichen. In typischen Ausführungsformen sind die Kondensatoren Supercaps. In vorteilhaften Ausführungsformen des Manipulators werden kombinierte Energiespeicher aus Kondensatoren und Akkumulatoren eingesetzt, um nicht nur hohe Leistungsdichten sondern auch hohe Energiedichten der Energiespeicher zu erreichen. Dies bietet besondere Vorteile bei typischen zyklischen Belastungen, wobei kurzzeitig hohe Belastungsspitzen auftreten, wobei während der Pausen dazwischen der Kondensator durch den Akkumulator wieder aufgeladen werden kann. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist eine Rückspeiseeinrichtung vorgesehen, die geeignet ist, bei bestimmten Bewegungen, insbesondere bei einem Abbremsen des Manipulatorelements, Energie in den Energiespeicher zurückzuspeisen. Damit kann der Energiespeicher kleiner ausgelegt werden. Zum Rückspeisen der Energie wird bei bevorzugten Ausführungsformen der Antrieb bei bestimmten Bewegungen, insbesondere beim Abbremsen, als elektrische Generatorbremse verwendet. So wird der Energiefluss zwischen Energiespeicher und Antrieb beispielsweise über eine Leistungselektronik als Rückspeiseeinrichtung umgekehrt und der Speicher wird aufgeladen statt entladen. Durch den Einsatz des Antriebs als elektromagnetische Bremse ergibt sich zudem der Vorteil, dass eine ebenfalls vorhandene mechanische Bremse weniger stark abgenutzt wird und weniger schnell ersetzt werden muss.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist zwischen Antrieb und Energiespeicher eine trafolose Leistungselektronik angeordnet. Diese Leistungselektronik hat zur Aufgabe, eine vom Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung in eine zum Betrieb des Drehstrommotors notwendige Wechselspannung umzuwandeln. Ein DC/DC-Wandler zur Erzeugung eines spannungsstabilisierten Gleichstromzwischenkreises ist in der bevorzugten Ausführungsform nicht zwingend notwendig. Hierdurch ergibt sich ein Gewichtsvorteil gegenüber Ausführungsformen mit DC/DC-Wandler. Ein weiterer Vorteil dieser bevorzugten Ausführungsform ohne DC/DC-Wandler ist die Tatsache, dass durch den Wegfall des spannungsstabilisierten Zwischenkreises niedrigere Ausgangsspannungen des Energiespeichers zum Betrieb des Antriebs ausreichen, als in Ausführungsformen mit DC/DC-Wandler benötigt würden. Da die niedrigen Ausgangsspannungen es ermöglichen, die Anzahl der serienverschalteten Speicherzellen im Energiespeicher zu reduzieren, kann hierdurch eine weitere Gewichtsersparnis realisiert werden.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen sind DC/DC-Wandler und spannungsstabilisierte Zwischenkreise vorhanden, wodurch sich der Regelungsaufwand für die Leistungselektronik verringert. Bei Manipulatoren mit mehreren Antrieben kann jeder Antrieb seinen eigenen Gleichstromzwischenkreis besitzen, oder es kann ein einziger Gleichstromzwischenkreis für alle Antriebe vorhanden sein, wobei für jeden Antrieb ein Wechselrichter aus dem Gleichstromzwischenkreis gespeist wird. Wenn jeder Antrieb über einen eigenen Gleichstromzwischenkreis verfügt, ergibt sich der Vorteil, dass Antriebselektroniken kleiner dimensioniert werden können. Für den Einsatz eines einzigen Gleichstromzwischenkreises oder einer Anzahl, die geringer ist als die Anzahl der Antriebe, von Gleichstromzwischenkreisen spricht die Tatsache, dass bei dieser Lösung ein Austausch von Energie zwischen unterschiedlichen Manipulatorelementen möglich ist, d. h. durch einen Bremsvorgang zurück gewonnene Energie kann an andere Manipulatorelemente, die gerade einen Leistungsbedarf haben, abgegeben werden. Beim Einsatz separater Gleichstromkreise wird die Bremsenergie vorzugsweise hingegen über einen Abtaktwiderstand in niederexergetische Wärmeenergie umgewandelt.
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Die Leistungselektronik ist vorzugsweise so ausgebildet, dass ihre Eingangsspannung, d. i. insbesondere die Spannung des Gleichstromkreises, in welchem der Energiespeicher liegt, für einen Betrieb des Antriebs um bis zu 30%, bevorzugter bis zu 40%, noch bevorzugter bis zu 50% unter der maximalen Ausgangsspannung des Energiespeichers liegen kann. Dies bedeutet, dass die Leistungselektronik vorzugsweise für eine direkte Verbindung mit dem Energiespeicher ausgebildet ist, wobei der Energiespeicher im Betrieb eine wie oben angegebene schwankende Ausgangsspannung aufweisen kann.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Leistungselektronik ein Signal- und ein Leistungsteil. Vorteilhafterweise empfängt der Signalteil über einen Feldbus, z. B. CAN-Bus, Profibus, Ethercat etc., Fahrbefehle von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) und setzt diese Befehle eigenständig in die entsprechenden Strom- und Spannungsregelungswerte um. Der Leistungsteil umfasst vorzugsweise drei Halbbrücken, die die Spannungs- und Stromvorgabe des Reglers umsetzen. Die Regelung des Motors erfolgt vorzugsweise durch eine Stromregelung, die das Drehmoment des Motors bestimmt. Der Strom entsteht durch die vorgegebene Spannung des Wechselrichters. Die Spannung wird vorzugsweise durch ein Tastverhältnis zwischen der Zwischenkreisspannung und der Masse bestimmt. Der Strom stellt sich dann Infolge des Widerstands der Last ein. Im Falle einer konstanten Zwischenkreisspannung wird bei typischen Ausführungsformen das Tastverhältnis nur mit der Frequenz des gewünschten Wechselstroms oder der gewünschten Wechselspannung für die Spannung moduliert und so eine sinusförmige Ausgangsspannung am Ausgang des Wechselrichters erzeugt. Ist die Spannung des Zwischenkreises oder des Gleichstromkreises, in welchem der Energiespeicher liegt, nicht konstant, wird vorteilhafterweise das Tastverhältnis an diese variable Spannung angepasst und besonders vorteilhaft zusätzlich zu der sinusförmigen Modulation der Wechselspannung verändert, es findet also eine mehrfache Modulation, vorzugsweise über Pulsweiten, statt. Diese Vorgehensweise ist besonders bei einer direkten Verbindung, d. h. ohne DC/DC-Wandler oder Gleichstrom-Zwischenkreis, der Leistungselektronik mit dem Energiespeicher vorteilhaft, da auf diese Weise bei wechselnder Eingangsspannung ein konstanter Betrieb des Motors ermöglicht wird.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Leistungselektronik über eine drahtlose Verbindung mit der SPS zur Steuerung des Manipulators verbunden. Drahtlose Verbindungen bieten den Vorteil, dass ein Kabelschlepp nicht zwingend erforderlich ist. Besonders bevorzugt wird eine bevorzugt echtzeitfähige drahtlose Verbindung; eine solche Verbindung beruht vorteilhafterweise auf einem Bluetooth-, W-Lan, zig-bee oder einem anderen Funkstandard.
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Vorteilhafterweise umfasst das bewegliche Manipulatorelement einen elektrischen Kontakt zum Aufladen des Energiespeichers. Der elektrische Kontakt ist vorzugsweise angeordnet, so dass er bei einer bestimmten Ladeposition des beweglichen Manipulatorelements mit einem Ladekontakt des Manipulators in Berührung kommt. Der Ladekontakt bietet den Vorteil, dass ein Laden des Energiespeichers ohne manuelles Eingreifen ermöglicht wird. Der Ladekontakt ist vorteilhafterweise an einem beweglichen oder unbeweglichen Manipulatorelement angeordnet. Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist der Ladekontakt extern angeordnet, d. h. er ist nicht Teil des Manipulators selbst. Der Manipulator fährt dabei vorzugsweise Positionen an, die einen Kontaktschluss des Kontaktes zu dem externen Ladekontakt ermöglichen, falls ein Laden erforderlich ist. Ein externer, feststehender Ladekontakt ist vorzugsweise bei einem Schwenkarmroboter derart angeordnet, dass der Ladekontakt bei Anfahren einer Parkposition durch den Schwenkarmroboter automatisch kontaktiert wird.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Ladekontakt durch mindestens einen Kontaktstift realisiert, der in einer Ruheposition des Manipulatorelements einen Kontakt zwischen dem elektrischen Kontakt zum Aufladen des Energiespeichers und dem Ladekontakt herstellt. Um Lichtbögen bei einer Annäherung zu vermeiden, wird die Spannung vorzugsweise erst nach der tatsächlichen Herstellung des Kontakts eingeschaltet. Das Ladeverfahren ist vorteilhafterweise ein Konstantstromverfahren, abhängig von dem verwendeten Energiespeicher kommt bei typischen Ausführungsformen ein anderes Ladeverfahren zum Einsatz.
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Bei typischen Ausführungsformen erfolgt die Aufladung des Energiespeichers mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes. Dies bietet den Vorteil, dass nicht unbedingt Kontakte nötig sind. Besondere Vorteile bieten Mischformen, wobei ein elektromagnetisches Feld und Ladekontakte vorgesehen sind, um den Energiespeicher aufzuladen. Dies bietet den Vorteil, dass die Ladekontakte nur angefahren werden müssen, wenn eine Aufladung mit dem Feld nicht ausreicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leistungselektronik direkt am beweglichen Manipulatorelement angeordnet. Dies bietet den Vorteil kurzer Kabelstrecken.
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Bei einem bevorzugten Antrieb ist der Motor (
3) in einem Getriebe (
4) integriert ist, insbesondere ist der Motor rahmenlos in einem Getriebe, bevorzugt einem Planetengetriebe, integriert. Typische Ausführungsformen umfassen einen in dem Manipulatorelement integrierten Motor oder ein in dem Manipulatorelement integriertes Getriebe. Vorteilhafte Antriebe sind aufgebaut wie die in der
DE 102 16 435 A1 offenbarten Antriebe, wobei die Offenbarung dieser Anmeldung ausdrücklich durch Bezugnahme auf die integrierten, rahmenlosen oder gehäuselosen Antriebe aufgenommen wird. Durch derartige Ausgestaltungen des Antriebs wird eine Gewichtsersparnis erreicht. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen sind mindestens ein rahmenloser Motor und mindestens ein Planetengetriebe in einer Struktur integriert. Das Planetengetriebe selbst ist vorzugsweise aus Leichtbau-Elementen aufgebaut. Bei typischen Ausführungsformen sind Verzahnungsteile und Lagerung zumindest teilweise aus Stahl. Das Gehäuse des Getriebes besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Leichtmetall, bspw. Aluminium oder Magnesium. Im Vergleich zu herkömmlichen Planetengetrieben wird dadurch eine Gewichtsreduktion von über 50% realisiert. Vorteilhafterweise ist das Planetengetriebe selbst in einer Kunststoffaufhängung angeordnet, wodurch eine weitere Gewichtsersparnis erreicht wird. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen kommen Zahnstangen oder Ritzel aus Plastik zum Einsatz, um den gesamten Aufbau noch leichter zu gestalten.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist der Manipulator als Portalroboter ausgebildet. Bei Portalrobotern sind hohe mögliche Dynamiken besonders vorteilhaft. Typische Manipulatoren der Erfindung sind als Gelenkarmroboter oder Schwenkarmroboter oder Vertikalknickarmroboter mit mehreren rotatorischen Achsen ausgebildet. Dabei zeigt die Erfindung besondere Vorteile, da sich Gewichtsvorteile über die Achsen insbesondere bei Schwenkarmrobotern nicht nur addieren sondern auch multiplizieren. Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist der Manipulator als einzelne Linearachse angeordnet. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung mehrerer Linear- oder Rotationsachsen hintereinander oder nebeneinander, wie z. B. bei Werkzeugmaschinen, Drehmaschinen oder Fräsmaschinen.
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Der typische Betrieb eines vorteilhaften Manipulators erfolgt vorzugsweise in folgenden Schritten: In einem ersten Schritt wird ein Arbeitsprogramm unter Verwendung der im Energiespeicher abgespeicherten Energie abgearbeitet. Anschließend fahren ein oder mehrere Manipulatorelemente ein oder mehrere Ladepositionen an, in welchen ein oder mehrere elektrische Kontakte des Manipulatorelements mit einem oder mehreren Ladekontakten in Berührung kommen, um den Energiespeicher zu laden. In der Ladeposition wird so lange verharrt, bis der oder alle Energiespeicher aufgeladen sind. Zumindest wird solange gehalten, dass die im Arbeitsprogramm bis zu dem nächsten Anfahren der Ladeposition benötigte Energie vollständig wieder geladen ist.
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Bei typischen Ausführungsformen beträgt das Verhältnis zwischen Dauer des Arbeitsprogramms und Haltedauer mindestens 3:1, bevorzugt wird ein Verhältnis von 5:1, besonders bevorzugt wird ein Verhältnis von 10:1 oder umgekehrt. Die maximale Dauer des Arbeitsprogramms beträgt vorzugsweise 10 Minuten, bevorzugt werden maximale Dauern des Arbeitsprogramms von 7 Minuten oder 5 Minuten. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen beträgt die maximale Dauer des Arbeitsprogramms 3 Minuten oder mindestens 2 Minuten.
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Der erfindungsgemäße Aufbau bietet somit durch eine effizientere Abstimmung der Komponenten, eine äußerst leichte Konstruktion und eine kabellose Energie- und Datenübertragung gegenüber dem Stand der Technik bei gleicher Performance eine enorme Energieeinsparung, beispielsweise von bis zu einem Viertel gegenüber Standard-Portalantrieben. Durch die Konstruktion ist für den Antrieb eine Gewichtseinsparung um einen Faktor drei sowie eine Reduktion des Platzverbrauchs möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert, die zeigen:
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1: zeigt schematisch einen Energiespeicher und einen Antrieb eines erfindungsgemäßen Manipulators,
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2: gibt schematisch einen Überblick über einen erfindungsgemäßen Manipulator mit Achsreglern, einer SPS und einem Feldbus, und
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3: zeigt schematisch einen als Portalroboter ausgebildeten Manipulator mit zwei beweglichen Manipulatorelementen.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemässe Kombination von Energiespeicher 1 und Antrieb 2, wie sie an einem beweglichen Manipulatorelement 18 eines nicht vollständig dargestellten Manipulators angeordnet sind.
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Von einem ansonsten nicht näher gezeigten Manipulatorelement 18 zeigt 1 einen Energiespeicher 1, welcher über einen Gleichstromkreis 6 mit einer Leistungselektronik 5 verbunden ist. Die Leistungselektronik 5 wandelt die an der Leistungselektronik 5 eingangsseitig anliegende Gleichspannung ausgangsseitig in eine dreiphasige Wechselspannung um, welche über einen Wechselstromkreis 7 dem Antrieb 2 zugeführt wird. In der 1 ist schematisch dargestellt, dass der Antrieb 2 aus einem Motor 3 und einem Getriebe 4 besteht.
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Der schematische Aufbau eines erfindungsgemäßen Manipulators mit vier Achsen samt zugehöriger speicherprogrammierbarer Steuerung SPS 9 und sonstiger Peripherie ist in der 2 gezeigt. Mit Hilfe einer Steuersoftware 8, welche in die speicherprogrammierbare Steuerung 9 geladen wird, wird ein vierachsiger Manipulator über einen Feldbus 10 gesteuert.
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Der Manipulator verfügt über zwei autarke Manipulatorelemente mit autarken Antrieben 2.1 und 2.2 und zwei Manipulatorelemente mit nicht autarken Antrieben 2.3 und 2.4. Die nicht autarken Antriebe 2.3 und 2.4 werden durch einen Versorgungsstromkreis 13 mit Energie versorgt. Die nicht autarken Antriebe 2.3 und 2.4 sind über ein Kabelnetzwerk 14 mit dem Feldbus 10 verbunden. Die autarken Antriebe 2.1 und 2.2 werden über einen Energiespeicher 1 mit Energie versorgt. Die autarken Antriebe 2.1 und 2.2 sind mit dem Energiespeicher 1 über einen Zwischenkreis 15, in welchem eine nicht näher gezeigte Leistungselektronik integriert ist, verbunden. Die Leistungselektronik entspricht der in der 1 gezeigten. Beide Antriebe können jeweils eine eigene Leistungselektronik oder zusammen eine gemeinsame Leistungselektronik haben. Die autarken Antriebe 2.1 und 2.2 sind mit dem Feldbus 10 über eine drahtlose Verbindung 16, welche mit Hilfe von Antennenelementen 23.1, 23.2 und 23.3 hergestellt wird, verbunden. Die autarken Antriebe 2.1 und 2.2 sind energieeffizienter als die nicht autarken Antriebe 2.3 und 2.4, weil sie über den Energiespeicher 1 mit Energie versorgt werden und daher keinen Kabelschlepp hinter sich herziehen müssen. Dies führt zu einer Gewichtsreduktion und einer Reduktion von Reibungsverlusten. Ausserdem können Sie bei Abbremsbewegungen Energie in den Energiespeicher 1 zurückspeisen.
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Die autarken Antriebe 2.1 und 2.2 fahren gemeinsam mit dem Energiespeicher 1 und den Manipulatorelementen, auf welchen sie angeordnet sind, in regelmäßigen Abständen Ladekontakte 24 an, über welche der Energiespeicher 1 aufgeladen wird. Bei diesem Ladevorgang haben die elektrischen Kontakte 17.1 und 172 des Energiespeichers 1, welche als Kontaktstifte ausgebildet sind, so lange mit den Ladekontakten 24 Kontakt, bis der Energiespeicher 1 vollständig geladen ist. Anschließend wird ein Arbeitsschritt ausgeführt, bei dem sich der Energiespeicher 1 sukzessive entlädt. Danach wird wieder die Ladeposition angefahren.
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3 zeigt einen als Portalroboter 22 ausgebildeten Manipulator, umfassend ein U-förmiges Manipulatorelement 18, welches mit Hilfe des Antriebs 2 entlang einer Längsachse 20 verschoben werden kann. Am U-förmigen Manipulatorelement 18 ist ein weiteres Manipulatorelement 19 angeordnet, welches über den autarken Antrieb 2.1 relativ zum U-förmigen Manipulatorelement 18 entlang einer Querachse 21 bewegt werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr wird der Schutzumfang durch die Ansprüche bestimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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