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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine kraftgesteuerte elektrische Hand, die über einen Elektromotor Finger antreibt, damit sie ein Zielwerkstück ergreifen.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Als kraftgesteuerte elektrische Hand dieser Art sind Roboterhände bekannt, die an Industrierobotern angebracht sind. Verwendet man eine Roboterhand zum Ergreifen eines Zielwerkstücks, so bevorzugt man, dass die Greifkraft einfach einstellbar ist, damit man sich an eine große Anzahl Formen von Zielwerkstücken anpassen kann, die gehandhabt werden. Beispielsweise ist in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 2011-183513A (
JP2011-183513A ) eine Greifvorrichtung beschrieben, die einen Umsetzmechanismus, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt, mit einem Elektromotor über einen Drehzahlsenkungsmechanismus antreibt, und die ein Paar Finger aufweist, die sich über den Umsetzmechanismus, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt, öffnen und schließen. Die in
JP2011-183513A beschriebene Vorrichtung stellt die Greifkraft durch Einstellen des Motorstroms ein, und zwar anhand von Eigenschaften, die vorher durch Experimente usw. ermittelt wurden.
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In der in
JP2011-183513A beschriebenen Vorrichtung tritt in dem Drehzahlsenkungsmechanismus, dem Umsetzmechanismus, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt, und weiteren Teilen des Antriebs Reibung auf. Daher wird das Motordrehmoment durch die Reibung verringert. Da sich die Reibung abhängig vom Schmierungszustand der Antriebsteile, der Lufttemperatur, der Alterung usw. ändert, ist es schwierig, die Greifkraft dadurch präzise zu kontrollieren, dass man nur den Motorstrom einstellt wie in der in
JP2011-183513A beschriebenen Vorrichtung.
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Man kennt auch Vorrichtungen, die die Greifkraft der Finger feststellen und den Elektromotor abhängig von den erfassten Ergebnissen kontrollieren. Beispielsweise enthält die in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 2011-194523A (
JP2011-194523A ) beschriebene Vorrichtung ein elastisches Glied, das aus Gummi oder Schaumgummi besteht, und zwar zwischen einem sich geradlinig bewegenden Teil, das sich entlang einer Welle bewegt, die durch einen Elektromotor gedreht wird, und einem mit einem Greifteil verbundenen Verbindungsteil, damit die Greifkraft aus der Größe der Verschiebung des elastischen Glieds berechnet wird.
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Bei dem in
JP2011-194523A beschriebenen elastischen Glied ändert sich jedoch leicht der Elastizitätsmodul aufgrund der Temperatur. Zudem tritt eine Hystereseerscheinung zwischen der Ausdehnung und der Kontraktion auf. Ferner ändern sich die Materialeigenschaften leicht abhängig von der Alterung, und das Eindringen von Schmieröl oder Feuchtigkeit kann ein Aufquellen bewirken. Aus diesem Grund ist es schwierig, die Greifkraft präzise und stabil zu erfassen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält eine kraftgesteuerte elektrische Hand:
einen Elektromotor;
einen Umsetzmechanismus zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung, der die Drehbewegung des Elektromotors in eine geradlinige Bewegung umsetzt;
ein Paar Fingerbasen, die eine bewegliche Fingerbasis umfassen, die sich geradlinig parallel zu einer ersten Achsenlinie durch den Umsetzmechanismus zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung bewegt, und zwar durch Kraft aus dem Elektromotor;
ein Paar Finger, die an dem Paar Fingerbasen befestigt sind, damit sie durch die geradlinige Bewegung der beweglichen Fingerbasis ein Zielwerkstück ergreifen; und
einen Kraftsensor, der zumindest in einer der beiden Fingerbasen vorhanden ist und die Greifkraft der beiden Finger erfasst.
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Der Kraftsensor besitzt ein Paar parallele Träger, die sich parallel zu einer zweiten Achsenlinie erstrecken, die senkrecht bezüglich der ersten Achsenlinie verläuft, und der Kraftsensor erfasst die Greifkraft abhängig von dem Umfang der Verschiebung der parallelen Träger in einer Richtung der ersten Achsenlinie.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Erklärung von Ausführungsformen anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlicher hervor. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung einer kraftgesteuerten elektrischen Hand einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Querschnittsansicht in Längsrichtung, die den wesentlichen Aufbau einer kraftgesteuerten elektrischen Hand der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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3 eine Ansicht, die die Einzelheiten des Aufbaus des Kraftsensors in 2 darstellt; und
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4 eine Querschnittsansicht in Längsrichtung, die den wesentlichen Aufbau einer kraftgesteuerten elektrischen Hand einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Erste Ausführungsform
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Im Weiteren wird anhand von 1 bis 3 eine erste Ausführungsform der Erfindung erklärt. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung einer kraftgesteuerten elektrischen Hand 100 einer ersten Ausführungsform der Erfindung (im Folgenden manchmal einfach als ”elektrische Hand” bezeichnet). Diese elektrische Hand 100 ist beispielsweise am Vorderende eines Arms eines Industrieroboters angebracht, damit sie ein Zielwerkstück (im Folgenden manchmal einfach als ”Werkstück” bezeichnet) ergreift. Die Hand besitzt zwei Finger, die sich öffnen und schließen können (siehe 2). In 1 ist dies jedoch nicht dargestellt.
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Im Folgenden werden die drei Richtungen, die sich jeweils senkrecht schneiden, zur Vereinfachung als Vorne-Hinten-Richtung, als Links-Rechts-Richtung und als Oben-Unten-Richtung bezeichnet. Die Anordnung der Teile wird mit Hilfe dieser Richtungen erklärt. Die ”Links-Rechts-Richtung” ist die Richtung, in der sich die beiden Finger öffnen und schließen. Die ”Oben-Unten-Richtung” ist die Richtung, in der sich die Finger erstrecken. Die elektrische Hand 100, siehe 1, besitzt ein kastenförmiges Gehäuse 1 mit einem offenen unteren Ende. Innerhalb des Gehäuses 1 sind Komponenten untergebracht.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht in Längsrichtung, die den wesentlichen Aufbau der elektrischen Hand 100 der ersten Ausführungsform darstellt. Die elektrische Hand 100, siehe 2, umfasst einen Elektromotor 2, einen Umsetzmechanismus 10 zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung, der die Drehbewegung des Elektromotors 2 in eine geradlinige Bewegung umsetzt, zwei Fingerbasen 3, die sich mit Hilfe des Umsetzmechanismus 10 zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung geradlinig bewegen, und zwei Finger 4, die an den beiden Fingerbasen 3 befestigt sind.
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Innerhalb des Gehäuses 1 teilen eine Trennwand 1a, die sich in Oben-Unten-Richtung erstreckt, und eine Trennwand 1b, die sich in Links-Rechts-Richtung erstreckt, den Raum in einen linken Raum SP1, einen oberen Raum SP2 und einen unteren Raum SP3. Im oberen Raum SP2 ist ein Elektromotor 2 untergebracht, der sich vorwärts und rückwärts drehen kann. Eine Abtriebswelle 2a des Elektromotors 2 tritt aus der linken Stirnfläche des Elektromotors 2 aus und verläuft durch die Trennwand 1a. Im oberen Raum SP2 ist eine Steuerschaltung 5 rechts neben dem Elektromotor 2 angeordnet.
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Im linken Raum SP1 ist ein Getriebemechanismus 6 angeordnet, der die Drehung des Elektromotors 2 auf den Umsetzmechanismus 10 zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung überträgt. Der Getriebemechanismus 6 besteht aus Zahnrädern oder einem Zahnriemen und einer Riemenscheibe usw. In 2 bilden ein Zahnrad 6a, das mit dem Vorderende der Abtriebswelle 2a des Elektromotors 2 verbunden ist, und ein Zahnrad 6b, das unter dem Zahnrad 6a angeordnet ist und in das Zahnrad 6a eingreift, den Getriebemechanismus 6. Der Getriebemechanismus 6 dient auch als Drehzahlsenkungsmechanismus und verringert die Drehzahl des Elektromotors 2 und erhöht das Drehmoment.
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Im unteren Raum SP3 ist der Umsetzmechanismus 10 zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung untergebracht. Der Umsetzmechanismus 10, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt, besitzt eine Vorschubspindel 11, die sich auf der Achsenlinie L1 in Links-Rechts-Richtung erstreckt, eine linke und eine rechte Mutter 12, die über ein Gewinde mit der Vorschubspindel 11 verbunden sind, zylinderförmige Mutternabdeckungen 13, die die Außenrandflächen der Muttern 12 bedecken, ein linkes und ein rechtes Gleitstück 14, die an den Außenrandflächen der Mutternabdeckungen 13 befestigt sind, und eine Führung 15, die die Bewegungsrichtung der Gleitstücke 14 beschränkt. Bei der linken und der rechten Mutter 12 wird die linke Mutter mit 12a bezeichnet und die rechte Mutter mit 12b. Das linke Ende der Vorschubspindel 11 durchläuft die Trennwand 1a und kann sich darin drehen, und die Vorschubspindel ist mit der Welle des Zahnrads 6b verbunden. Das rechte Ende der Vorschubspindel 11 ist mit dem Drehungsdetektor 7 verbunden, der an der Innenseite des Gehäuses 1 befestigt ist. Der Drehungsdetektor 7 erfasst den Drehwinkel der Vorschubspindel 11.
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Das Signal vom Drehungsdetektor 7 wird in die Steuerschaltung 5 eingegeben und beispielsweise dafür verwendet, den Drehwinkel der Vorschubspindel 11 zu regeln (Servoregelung). Besitzt der für die Servoregelung verwendete Elektromotor 2 einen eingebauten Drehungsdetektor, so braucht man den Drehungsdetektor 7 nicht. Es ist schwierig, einen Drehungsdetektor mit einem kostengünstigen Gleichstrommotor oder einem anderen Motor direkt zu verbinden, der keinen eingebauten Drehungsdetektor aufweist. Da jedoch in dieser Ausführungsform der Drehungsdetektor 7 mit dem Ende der Vorschubspindel 11 an der entgegengesetzten Seite des Getriebemechanismus 6 verbunden ist, kann man den Drehungsdetektor 7 einfach und kostengünstig verbinden.
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Die Vorschubspindel 11 weist ein Gewinde 11a auf, das in Links-Rechts-Richtung links von der Mitte ausgebildet ist, und ein Gewinde 11b, das rechts von der Mitte ausgebildet ist. Das Gewinde 11a ist beispielsweise ein Vorwärtsgewinde (Rechtsgewinde), und das Gewinde 11b ist ein Rückwärtsgewinde (Linksgewinde). Auf die Gewinde 11a und 11b sind Muttern 12a und 12b geschraubt, deren Außenränder zylindrische Flächen sind. Am linken Ende der Mutter 12a und am rechten Ende der Mutter 12b sind Flansche 12c vorhanden, die in radialer Richtung vorstehen. Die Muttern 12a und 12b sind jeweils in die Innenrandflächen der zylinderförmige Mutternabdeckungen 13 eingesetzt und mit Schrauben (nicht dargestellt) verbunden, die durch die Flansche 12c verlaufen, damit sie mit den Mutternabdeckungen 13 zu einem Teil verbunden sind.
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Die Führung 15 ist eine in Links-Rechts-Richtung verlaufende Schiene, die an der Unterseite der Trennwand 1b befestigt ist. Die Gleitstücke 14 sind an den oberen Abschnitten der äußeren Umfangsflächen der Mutternabdeckungen 13 befestigt. Die Gleitstücke 14 weisen beispielsweise u-förmige Querschnitte auf. Die Gleitstücke 14 sind so angeordnet, dass sie die Vorderseite und Rückseite der Führung 15 umgreifen und auf der Vorder- bzw. Rückseite der Führung 15 gleiten können, und zwar mit Hilfe von Kugeln oder Schmiermitteln. Dadurch wird eine Drehung der Muttern 12 verhindert. Die Muttern 12 können sich zusammen mit den Mutternabdeckungen 13 und den Gleitstücken 14 nur in der Links-Rechts-Richtung bewegen.
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An den unteren Enden der linken und rechten Mutternabdeckungen 13, d. h. in Durchmesserrichtung der Muttern 12 an den entgegengesetzten Seiten bezüglich der Befestigungsorte der Gleitstücke 14, sind die Kraftsensoren 20 befestigt. Die Kraftsensoren 20 erfassen die Kraft in der Öffnungsrichtung und Schließrichtung der Finger 4, d. h. die Greifkraft der Finger 4. Die Einzelheiten des Aufbaus der Kraftsensoren werden später beschrieben. An den unteren Enden der Kraftsensoren 20 sind Fingerbasen 3 mit hervorstehenden Teilen 3a befestigt, die nach unten gerichtet sind. In den hervorstehenden Teilen 3a der Fingerbasen 3 sind Schraubenlöcher 3b vorhanden (1), damit man die Finger 4 mit Schrauben (nicht dargestellt) lösbar an den Fingerbasen 3 befestigen kann.
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Die Finger 4 verlaufen in Oben-Unten-Richtung und sind an ihren Vorderenden (unteren Enden) mit hervorstehenden Abschnitten 4a versehen, die in Links-Rechts-Richtung nach einer Seite herausragen (zur Innenseite in Links-Rechts-Richtung). Die Finger 4 sind an den Fingerbasen 3 so angebracht, dass sich ihre hervorstehenden Abschnitte 4a in der Oben-Unten-Richtung in gleicher Höhe gegenüberliegen. Die verwendeten Finger 4 sind so entworfen, dass sie geeignete Längen und Formen für die Größe und das Gewicht des ergriffenen Zielwerkstücks haben.
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Dreht sich in der obigen Anordnung der Elektromotor 2, so wird die Drehung des Elektromotors 2 über den Getriebemechanismus 6 auf die Vorschubspindel 11 übertragen, und die Vorschubspindel 11 dreht sich. Hierdurch bewegen sich die Gleitstücke 14 zusammen mit den Muttern 12 in der Links-Rechts-Richtung, wobei die Bewegungsrichtung durch die Führung 15 vorgegeben ist. Da in diesem Fall das linke Gewinde 11a und das rechte Gewinde 11b der Vorschubspindel 11 in einander entgegengesetzten Richtungen ausgebildet sind, bewegen sich die beiden Muttern 12a und 12b geradlinig in entgegengesetzten Richtungen nach links und rechts parallel zur Achsenlinie L1, siehe den Pfeil A. Durch diese Bewegung der Muttern 12a und 12b nähern bzw. entfernen sich die beiden Finger 4, damit ein Schließ- bzw. Öffnungsvorgang möglich wird. d. h. ein Vorgang zum Ergreifen des Zielwerkstücks W.
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Während des Öffnungs- bzw. Schließvorgangs der Finger 4 erfasst der Drehungsdetektor 7 den Drehwinkel der Vorschubspindel 11, und ein Erfassungssignal wird in die Steuerschaltung 5 eingegeben. Die Steuerschaltung 5 verwendet ein Sollwertsignal von einer Regelvorrichtung (nicht dargestellt), die sich außerhalb der elektrischen Hand 100 befindet, und das Erfassungssignal vom Drehungsdetektor 7 für eine Rückführregelung des Elektromotors 2. Hierdurch kann sie die Positionen der Finger 4 kontrollieren. Die Steuerschaltung 5 erhält als Eingangssignale auch die Erfassungssignale der Greifkraft, die die Kraftsensoren 20 erfassen. Hierdurch kann die Steuerschaltung 5 ein Sollwertsignal von der (nicht dargestellten) Regelvorrichtung und Erfassungssignale von den Kraftsensoren 20 als Grundlage für die Rückführregelung des Elektromotors 2 verwenden. Somit lässt sich die Greifkraft regeln.
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Da in dieser Ausführungsform die Steuerschaltung 5 innerhalb der elektrischen Hand 100 untergebracht ist, befinden sich alle Schaltungen zum Regeln und Ansteuern der elektrischen Hand 100 innerhalb der elektrischen Hand 100. Dadurch wird der Schaltungsaufbau kompakt und die Teileanzahl der Schaltung wird verringert. Zudem kann die Schaltung in der äußeren Regelvorrichtung vereinfacht werden und die Gesamtkosten einschließlich der Regelvorrichtung können verringert werden. Ist dagegen die Leistungsaufnahme des Elektromotors 2 hoch und ist es schwierig, die Motoransteuerschaltung in der Steuerschaltung 5 unterzubringen, so wird die Motoransteuerschaltung beispielsweise in der äußeren Regelvorrichtung eingebaut. In diesem Fall kann die Steuerschaltung 5 so konfiguriert sein, dass sie die Signale von den Kraftsensoren 20 und dem Drehungsdetektor 7 an die äußere Regelvorrichtung ausgibt. Hierdurch kann der Schaltungsaufbau der Kraftsensoren 20 und des Drehungsdetektors 7 innerhalb der elektrischen Hand 100 vereinfacht werden, und die elektrische Hand 100 kann kleiner gestaltet werden.
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Es wird nun der Aufbau der Kraftsensoren 20 erklärt, die in der elektrischen Hand 100 der Ausführungsform verwendet werden. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des wesentlichen Abschnitts in 2, in der der Aufbau der Kraftsensoren 20 (beispielsweise des linken Kraftsensors 20 in 2) dargestellt ist. Der Kraftsensor 20, siehe 3, besitzt eine feststehende Basis 21, deren Oberseite an der Mutternabdeckung 13 befestigt ist, eine bewegliche Basis 22, die der festen Basis 21 gegenüberliegend unter der festen Basis 21 angeordnet ist, und einen linken und einen rechten plattenförmigen Träger 23, die sich in der Oben-Unten-Richtung erstrecken und die linken und rechten Enden der festen Basis 21 und der beweglichen Basis 22 verbinden. Innerhalb der festen Basis 21, der beweglichen Basis 22 und der beiden Träger 23 ist ein Raum SP4 ausgebildet. Die Längen der jeweiligen Teile 21 bis 23 in der Vorne-Hinten-Richtung sind gleich. Sie sind beispielsweise gleich der Länge der Fingerbasis 3 in Vorne-Hinten-Richtung (siehe 1). An der Unterseite der beweglichen Basis 22 ist die Fingerbasis 3 befestigt. Ergreift der Finger 4 das Werkstück W mit der Greifkraft F wie in der Abbildung dargestellt, so wirkt auf die Fingerbasis 3 eine äußere Kraft (Reaktionskraft) F', die die gleiche Größe hat wie die Greifkraft F, und zwar von dem Werkstück W nach außen in der Links-Rechts-Richtung, wodurch die Träger 23 des Kraftsensors 20 verbogen werden.
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Im Raum SP4 sind zwei kastenförmige Elektrodenblöcke 24 und 25 angeordnet. Die obere Stirnfläche des einen Elektrodenblocks 24 ist an der festen Basis 21 montiert, und die untere Stirnfläche des anderen Elektrodenblocks 25 ist an der beweglichen Basis 22 befestigt. Die Elektrodenblöcke 24 und 25 sind parallel zueinander angeordnet und haben voneinander eine vorbestimmte Entfernung in der Links-Rechts-Richtung. An den einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrodenblöcke 24 und 25 sind Elektroden 24a und 25a ausgebildet. Zwischen den Elektroden 24a und 25a befindet sich ein Spalt GP. Der Kraftsensor 20 erfasst die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden 24a und 25a, die von der Größe des Spalts GP abhängt. Die Größe des Spalts GP verändert sich abhängig von der äußeren Kraft F', die auf die Fingerbasis 3 ausgeübt wird. Verändert sich die Größe des Spalts GP, so ändert sich die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden 24a und 25a. Aus diesem Grund kann man durch Erfassen der elektrostatischen Kapazität die äußere Kraft F' erfassen, d. h. die Greifkraft F.
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Die Elektroden 24a und 25a werden beispielsweise dadurch ausgebildet, dass flexible gedruckte Platinen mit den Elektrodenblöcken 24 und 25 verbunden werden. Diese flexiblen gedruckten Platinen können an die Steuerschaltung 5 angeschlossen werden, wodurch man eine einfache Anordnung zum Erfassen der elektrostatischen Kapazität verwenden kann. Beim Ausbilden der Elektroden 24a und 25a können die Oberflächen der Elektrodenblöcke 24 und 25 beschichtet werden, damit sie isoliert sind, und man kann Metallfilme mit einer stromlosen Beschichtung usw. ausbilden. Es ist auch möglich, die Kraftsensoren 20 und einen Elektrodenblock (beispielsweise 24) durch ein Metallmaterial auszubilden und sie mit Masse zu verbinden. Man erfasst dann die elektrostatische Kapazität gegen das Massepotential. Hierdurch wird eine Elektrode 24a überflüssig, und die Anordnung kann vereinfacht werden.
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Bezeichnet man in 3 die Achsenlinie, die sich in Oben-Unten-Richtung senkrecht zur Achsenlinie L1 in Links-Rechts-Richtung erstreckt (beispielsweise die Achsenlinie, die durch den mittleren Teil der Vorschubspindel 11 in Links-Rechts-Richtung verläuft), mit ”L2”, so weisen die Kraftsensoren 20 der Erfindung einen linken und einen rechten Träger 23 auf, die sich parallel zueinander und zur Achsenlinie L2 erstrecken. Ergreifen die Finger 4 mit ihren Spitzen das Werkstück W mit der Greifkraft F, so wirkt auf die Finger 4 eine äußere Kraft F' (Reaktionskraft), die die gleiche Größe hat wie die Greifkraft F, jedoch in entgegengesetzter Richtung wirkt. Diese äußere Kraft F' wirkt über die Finger 4, die Fingerbasen 3 und die Mutternabdeckungen 13 auf die Halteteile der Gleitstücke 14 an der Führung 15. Auf dem Übertragungsweg der äußeren Kraft F' ist die Plattendicke der Träger 23 in Links-Rechts-Richtung am dünnsten, wodurch sich die Träger 23 leicht in Links-Rechts-Richtung verformen. Aus diesem Grund können die Kraftsensoren 20 die Greifkraft F in Links-Rechts-Richtung mit einer guten Empfindlichkeit erfassen.
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Ergreifen die Finger 4 das Werkstück W, so wirkt auf die Kraftsensoren 20 ein Biegemoment über die Finger 4 und die Fingerbasen 3, und auf den linken bzw. rechten Träger 23 wirkt eine zusammendrückende Kraft bzw. eine Zugkraft. In diesem Fall verformen sich die Träger 23 nur schwer in der Oben-Unten-Richtung, d. h. der Längsrichtung, und die Steifigkeit gegen das Biegemoment ist hoch. Daher werden die Kraftsensoren 20 von dem Biegemoment nicht beeinflusst und können nur die Greifkraft F in Links-Rechts-Richtung erfassen. Verändert sich die Länge der Finger 4 oder die Position der Finger 4, die das Werkstück W ergreifen, in der Längsrichtung, so ändert sich das Biegemoment, das auf die Kraftsensoren 20 wirkt. Die Kraftsensoren 20 können jedoch die Greifkraft F in der Öffnungs-Schließ-Richtung der Finger 4 unabhängig von der Höhe des Biegemoments präzise erfassen.
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In der Ausführungsform, siehe 2, sind über den Fingerbasen 3 die Muttern 12 des Umsetzmechanismus 10 angeordnet, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt. Über diesen sind die Gleitstücke 14 angeordnet. D. h., die Muttern 12 sind zwischen den Fingerbasen 3 und den Gleitstücken 14 angeordnet. Bei dieser Anordnung kann man die Muttern 12 und die Gleitstücke 14 leicht gemeinsam ausbilden. Damit wird beispielsweise verglichen mit dem Fall, dass die Gleitstücke 14 über den Fingerbasen 3 und die Muttern 12 über diesen angeordnet sind, der Aufbau vereinfacht, und der Zusammenbau wird leichter.
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In dieser Ausführungsform sind die Finger 4, die Fingerbasen 3, die Kraftsensoren 20, die Mutternabdeckungen 13 und die Gleitstücke 14 gemeinsam ausgebildet. Daher wirkt das größte Biegemoment aufgrund der Greifkraft F der Finger 4 auf die Gleitstücke 14, die am weitesten von den Fingern 4 entfernt sind. Ordnet man bei dieser Anordnung wie in der Ausführungsform die Muttern 12 zwischen den Fingerbasen 3 und den Gleitstücken 14 an, so kann die Belastung durch diese Biegemoment gemildert werden. Dieser Punkt wird im Folgenden erläutert.
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Die Greifkraft F der Finger 4 wird durch den geradlinigen Druck der Muttern 12 aufgrund der Drehung der Vorschubspindel 11 erzeugt. Der geradlinige Druck der Muttern 12 wirkt in Links-Rechts-Richtung nach innen. Auf die Finger 4 wirkt eine Reaktionskraft F' vom Werkstück in Links-Rechts-Richtung nach außen. Auf die Muttern 12 und die Finger 4 wirken also entgegengesetzt gerichtete Kräfte nach rechts und links. Aus diesem Grund sind die Richtung (Drehrichtung) des Biegemoments (als ”erstes Biegemoment” bezeichnet), das auf die Gleitstücke 14 wegen der Greifkraft F (Reaktionskraft F') der Finger 4 wirkt, und die Richtung des Biegemoments (als ”zweites Biegemoment” bezeichnet), das auf die Gleitstücke 14 wegen des geradlinigen Drucks der Muttern 12 wirkt, einander entgegengesetzt. Somit wird ein Teil des ersten Biegemoments durch das zweite Biegemoment aufgehoben, und die wegen des Biegemoments auf die Gleitstücke 14 wirkende Last kann verringert werden. Dadurch lässt sich die Lebensdauer des geradlinigen Führungsmechanismus, der aus den Gleitstücken 14 und der Führung 15 besteht, verbessern.
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Ordnet man im Unterschied hierzu beispielsweise die Gleitstücke 14 zwischen den Fingerbasen 3 und den Muttern 12 an, so stimmen die Richtung des ersten Biegemoments, das auf die Gleitstücke 14 wegen der Greifkraft F (Reaktionskraft F') der Finger 4 wirkt, und die Richtung des zweiten Biegemoments, das auf die Gleitstücke 14 wegen des geradlinigen Drucks der Muttern 12 wirkt, miteinander überein. Dadurch wirken das erste Biegemoment und das zweite Biegemoment zusammen auf die Gleitstücke 14 ein. Die Beständigkeit des geradlinigen Führungsmechanismus gegen einen Ausfall wird dadurch schlechter.
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Für die erste Ausführungsform kann man die folgenden Vorgänge und Auswirkungen angeben:
- 1) Der Elektromotor 2, der Umsetzmechanismus 10 zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung, der die Drehbewegung des Elektromotors 2 in eine geradlinige Bewegung umsetzt, die beiden Fingerbasen 3, die sich geradlinig parallel zur Achsenlinie L1 durch den Umsetzmechanismus 10 bewegen, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt, die beiden Finger 4, die an den beiden Fingerbasen 3 befestigt sind und das Werkstück W durch die geradlinige Bewegung der Fingerbasen 3 ergreifen, und die Kraftsensoren 20, die sich an den Fingerbasen 3 befinden und die Greifkraft F der zwei Finger 4 erfassen, bilden die elektrische Hand 100. Die Kraftsensoren 20 weisen jeweils ein Paar von parallelen Trägern (Träger 23) auf, die parallel zu der Achsenlinie L2 verlaufen, die senkrecht auf der Achsenlinie L1 steht, und die Größe der Verschiebung der parallelen Träger dient als Grundlage zum Erfassen der Greifkraft F. Hierdurch werden die Kraftsensoren 20 von der Temperatur, Alterung usw. kaum beeinflusst, und sie können die Greifkraft F stabil und präzise erfassen, wenn die Finger 4 das Werkstück W ergreifen. Da die Kraftsensoren 20 am Sockel (obere Abschnitte) der Fingerbasen 3 vorhanden sind, an denen die Finger 4 befestigt sind, wird die auf die Finger 4 wirkende Kraft F' direkt auf die Kraftsensoren 20 übertragen, und man kann die Greifkraft F präzise erfassen.
- 2) Stellt man den Motorstrom ein, damit die Greifkraft justiert wird, so vermindert die Reibung im Getriebemechanismus 6 oder im Umsetzmechanismus 10, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt, das Motordrehmoment. Damit ist es schwierig, eine kleine Greifkraft F präzise zu erfassen. Da in der Ausführungsform Kraftsensoren 20 verwendet werden, die parallele Träger aufweisen, ist die Erfassungsempfindlichkeit der Greifkraft F außerordentlich gut, und man kann die Greifkraft F in einem breiten Bereich regeln.
- 3) Zum Erfassen der Greifkraft F werden Kraftsensoren 20 verwendet, die parallele Träger aufweisen, d. h. Kraftsensoren 20 mit paralleler Trägerstruktur. Dadurch werden die Kraftsensoren 20 von dem Biegemoment von den Fingern 4 kaum beeinflusst, und man kann die Greifkraft F exakt erfassen. Genauer gesagt hat die elektrische Hand 100 Finger 4, die an ihr befestigt sind und die abhängig vom Werkstück W eine unterschiedliche Länge aufweisen. Das Biegemoment ändert sich proportional zu der Länge der Finger 4. Da jedoch eine parallele Trägerstruktur nur eine geringe Verformung durch das Biegemoment aufweist, kann man die Greifkraft F präzise erfassen.
- 4) Die Finger 4 ragen aus der Unterseite der elektrischen Hand 100 heraus. Beim Betreiben der elektrischen Hand 100 usw. sind die Finger 4 der Einwirkung von gewissen Stoßkräften ausgesetzt, und die Kraftsensoren 20 sind der Einwirkung von Biegemomenten durch die Stoßkräfte ausgesetzt. Da in der Ausführungsform Kraftsensoren 20 mit paralleler Trägerstruktur verwendet werden, widerstehen die Kraftsensoren 20 den Stoßkräften, und sie weisen eine ausgezeichnete Beständigkeit auf.
- 5) Die Vorschubspindel, die sich entlang der Achsenlinie L1 erstreckt und in die die Kraft des Elektromotors 2 eingegeben wird, die Muttern 12, die auf die Vorschubspindel 11 aufgeschraubt sind, die Mutternabdeckungen 13, die die Muttern 12 bedecken, die Gleitstücke 14, die an den Außenflächen der Mutternabdeckungen 13 befestigt sind, und die Führung 15, die die Bewegungsrichtung der Gleitstücke 14 so beschränkt, dass sich die Gleitstücke 14 parallel zur Achsenlinie L1 bewegen, bilden den Umsetzmechanismus 10, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt. Zudem sind die Fingerbasen 3 an den Außenflächen der Muttern 12 befestigt, und zwar in Durchmesserrichtung an den entgegengesetzten (unteren) Seiten gesehen von den Orten (oben), an denen die Gleitstücke 14 befestigt sind. Hierdurch sind die Richtung (Drehrichtung) des ersten Biegemoments, das wegen der Greifkraft F der Finger 4 auf die Gleitstücke 14 wirkt, und die Richtung des zweiten Biegemoments, das wegen des geradlinigen Drucks der Muttern 12 auf die Gleitstücke 14 wirkt, einander entgegengesetzt, und die Last durch das Biegemoment, das auf die Gleitstücke 14 einwirkt, wird erniedrigt.
- 6) Der Getriebemechanismus 6 dient dazu, die Drehung der Abtriebswelle 2a des Elektromotors 2 auf die Vorschubspindel 11 zu übertragen. Dadurch kann man den Elektromotor 2 über dem Umsetzmechanismus 10 anordnen, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt, wobei die Abtriebswelle 2a in einer Richtung parallel zur Achsenlinie L1 verläuft (Links-Rechts-Richtung), und man kann die elektrische Hand 100 kompakt aufbauen.
- 7) Am rechten Endabschnitt der Vorschubspindel 11 ist der Drehungsdetektor 7 angebracht, der das Ausmaß der Drehung der Vorschubspindel 11 erfasst. Damit kann man als Elektromotor 2 einen preisgünstigen Gleichstrommotor usw. einsetzen, der keinen eingebauten Drehungsdetektor 7 aufweist. Am linken Endabschnitt der Vorschubspindel 11 ist der Getriebemechanismus 6 angebracht, in den die Kraft des Elektromotors 2 eingegeben wird. Der Drehungsdetektor 7 ist bezogen auf den Getriebemechanismus 6 in der Links-Rechts-Richtung auf der entgegengesetzten Seite (rechts) eingebaut. Damit lässt sich der Drehungsdetektor 7 leicht einsetzen und anschließen.
- 8) Die Kraftsensoren 20 sind als elektrostatische kapazitive Kraftsensoren aufgebaut. Der Umfang der Verschiebung der Kraftsensoren 20 wird durch die Veränderung der elektrostatischen Kapazität erfasst. Dadurch kann man die elektrische Hand 100 kleiner auslegen, und der Zusammenbau wird einfach.
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Zweite Ausführungsform
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Anhand von 4 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung erklärt. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere beim Aufbau der Fingerbasen 3 von der ersten Ausführungsform. In der ersten Ausführungsform sind die beiden Fingerbasen 3 als bewegliche Fingerbasen konfiguriert, die in Links-Rechts-Richtung beweglich sind. In der zweiten Ausführungsform ist nur eine der beiden Fingerbasen 3 beweglich. Eine derartige elektrische Hand 100 wird als ”einseitige Hand” bezeichnet.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht, die den wesentlichen Aufbau einer elektrischen Hand 100 der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Gleiche Teile wie in 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Weiteren werden hauptsächlich die Punkte erklärt, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheiden. Der rechte Kraftsensor 20, siehe 4, der beiden linken und rechten Kraftsensoren 20 ist an der Unterseite des Drehungsdetektors 7 befestigt. Daher benötigt man in der zweiten Ausführungsform die Mutter 12b, die Mutternabdeckung 13 und das Gleitstück 14 auf der rechten Seite nicht. Zudem ist die Vorschubspindel 11 beispielsweise nur mit einem Gewinde 11a ausgebildet, das ein Vorwärtsgewinde ist.
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Hierdurch wird der Aufbau der elektrischen Hand 100 einfacher, die Anzahl der Teile kann verringert werden, und die Kosten können gesenkt werden. Da in der zweiten Ausführungsform der rechte Kraftsensor 20, die rechte Fingerbasis 3 und der rechte Finger 4 unter dem Drehungsdetektor 7 angeordnet sind, kann verglichen mit 2 die Länge der elektrischen Hand 100 in der Links-Rechts-Richtung verkürzt werden. Hierdurch kann die Größe der elektrischen Hand 100 verringert werden. Der Drehungsdetektor 7 und die Kraftsensoren 20 können auch getrennt sein und für sich in der elektrischen Hand 100 vorhanden sein.
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Abwandlungen
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In den vorstehenden Ausführungsformen (2 und 4) sind Kraftsensoren 20 am Sockel der linken und rechten Fingerbasen 3 vorhanden. Die Kräfte F', die gegen die Greifkraft F wirkt, sind jedoch an den linken und rechten Fingern 4 gleich. Dadurch ist es möglich, nur eine der Fingerbasen 3 mit einem Kraftsensor 20 auszurüsten. Wird beispielsweise in der Anordnung in 4, die eine linke Fingerbasis 3 (bewegliche Fingerbasis) und eine rechte Fingerbasis 3 (feste Fingerbasis) aufweist, die von der beweglichen Fingerbasis in Richtung der Achsenlinie L1 entfernt und gegenüber der beweglichen Fingerbasis angeordnet ist, die linke Fingerbasis 3 (bewegliche Fingerbasis) nicht mit einem Kraftsensor 20 ausgestattet, und die rechte Fingerbasis 3 (feste Fingerbasis) mit einem Kraftsensor 20 ausgestattet, so wird die Signalverdrahtung des Kraftsensors 20 einfach, und man kann die Kosten senken.
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In den vorstehenden Ausführungsformen (2 und 4) werden eine Vorschubspindel 11, Muttern 12, Mutternabdeckungen 13, Gleitstücke 14 und eine Führung 15 dazu verwendet, den Umsetzmechanismus 10 auszubilden, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt. Der Aufbau des Umsetzmechanismus 10, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt, ist jedoch nicht auf das erklärte Beispiel eingeschränkt. Anstelle der Vorschubspindel 11 und der Muttern 12 kann man beispielsweise auch ein Zahnstangengetriebe verwenden, und man kann auch einen rotierenden Nocken verwenden. Anstatt die bewegliche Basis 22 des Kraftsensors 20 und die Fingerbasis 3 getrennt vorzusehen kann man sie auch als ein einziges Teil auslegen, und die Fingerbasis 3 kann den Kraftsensor 20 enthalten. Zudem können die Fingerbasis 3, der Kraftsensor 20 und die Mutternabdeckung 13 in 2 auch als ein einziges Teil ausgelegt werden. Die Fingerbasis 3, der Kraftsensor 20 und der Drehungsdetektor 7 in 4 können ebenfalls als ein einziges Teil ausgelegt werden. D. h., dass die Anordnung, in der die Fingerbasis 3 mit einem Kraftsensor 20 ausgestattet ist, nicht auf die Anordnungen der obigen Ausführungsformen eingeschränkt ist.
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In den beschriebenen Ausführungsformen (2 und 4) sind die Gleitstücke 14 an den Mutternabdeckungen 13 befestigt. Man kann jedoch die Mutternabdeckungen 13 weglassen und die Gleitstücke 14 an den Außenflächen der Muttern 12 befestigen. Statt die Muttern 12 und die Mutternabdeckungen 13 gemeinsam auszubilden, damit die Mutternteile entstehen, kann man die Muttern 12 für sich allein zu den Mutternteilen machen. In den obigen Ausführungsformen sind die Gleitstücke 14 an den Umfangsflächen (Oberseiten) der Mutternteile (Mutternabdeckungen 13) befestigt, und die Fingerbasen 3 sind in der Durchmesserrichtung gesehen von den Befestigungsorten der Gleitstücke 14 an den gegenüberliegenden Seiten (Unterseiten) angeordnet. Die Anordnung der Mutternteile, der Gleitstücke 14 und der Fingerbasen 3 ist jedoch nicht hierauf eingeschränkt.
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In den genannten Ausführungsformen (2) sind auf der Vorschubspindel 11 in Links-Rechts-Richtung von der Mitte aus ein Vorwärtsgewinde und ein Rückwärtsgewinde ausgebildet. Die Vorschubspindel 11 kann jedoch beispielsweise auch nur mit einem Vorwärtsgewinde versehen sein, und die Ausrichtung der Schraubenlöcher der linken und rechten Muttern 12 kann sich voneinander unterscheiden. In den obigen Ausführungsformen (2 und 4) ist der Getriebemechanismus 6 mit dem linken Endabschnitt der Vorschubspindel 11 verbunden, und der Drehungsdetektor 7 ist mit dem rechten Endabschnitt verbunden. Die Anordnung des Getriebemechanismus 6 und des Drehungsdetektors 7 ist jedoch ebenfalls nicht auf die oben erläuterte Anordnung eingeschränkt. Anstelle des Drehungsdetektors 7 kann man einen anderen Positionsdetektor vorsehen, der die Position der Finger 4 erfasst. In den obigen Ausführungsformen wird die Drehung der Abtriebswelle 2a des Elektromotors 2 über den Getriebemechanismus 6 auf den Umsetzmechanismus 10 übertragen (Vorschubspindel 11), der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt. Man kann den Getriebemechanismus 6 jedoch auch weglassen und die Drehbewegung des Elektromotors 2 direkt in den Umsetzmechanismus 10 einleiten, der eine Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung umsetzt.
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In den obigen Ausführungsformen sind zwei Fingerbasen 3 (2) oder eine einzige Fingerbasis 3 (4), die sich geradlinig entlang der Achsenlinie L1 (erste Achsenlinie) bewegen, als bewegliche Fingerbasen vorhanden, und es sind Kraftsensoren 20 (3) mit zwei Trägern 23 (parallele Träger) vorhanden, die parallel zur Achsenlinie L2 (zweite Achsenlinie) senkrecht zur Achsenlinie L1 verlaufen. Man kann jedoch die erste Achsenlinie und die zweite Achsenlinie an beliebigen Positionen anordnen, solange sie senkrecht zueinander sind.
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Anstatt die Kraftsensoren 20 als elektrostatische kapazitive Kraftsensoren auszubilden, die das Ausmaß der Verschiebung der parallelen Träger mit Hilfe der elektrostatischen Kapazität erfassen, kann man Dehnungsmesser zum Ausbilden der Kraftsensoren 20 verwenden. Da in diesem Fall eine starke Dehnung an den Grundabschnitten der Träger 23 erzeugt wird, bevorzugt man, die Dehnungsmesser in deren Nähe anzubringen. Es ist auch möglich, Dehnungsmesser an mehreren Orten der Kraftsensoren 20 anzubringen und nicht nur die Greifkraft F zu erfassen, sondern auch die Last durch das Moment. Die Kraftsensoren 20 enthalten ein zueinander paralleles Paar von Trägern 23. Sie können jedoch auch drei oder mehr parallele Träger umfassen.
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Man kann die beschriebenen Ausführungsformen uneingeschränkt mit einer oder mehreren Abwandlungen kombinieren.
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Da gemäß der Erfindung die Fingerbasen, die die Finger der elektrischen Hand halten, mit Kraftsensoren ausgerüstet sind, die ein Paar parallele Träger aufweisen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Fingerbasen verlaufen, kann die Greifkraft präzise und stabil erfasst werden, wenn die Finger das Zielwerkstück ergreifen.
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Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Einem Fachmann ist geläufig, dass man verschiedene Änderungen und Abwandlungen vornehmen kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, der in den Ansprüchen beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2011-183513 A [0002, 0002, 0003, 0003]
- JP 2011-194523 A [0004, 0005]
