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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gelenkmechanismus, der einen Menschen und/oder Maschinenbediener während der Ausführung manueller oder automatisierter Arbeitsaufgaben beim Einwirken auf eine statische Last, wie dem Bewegen oder Positionieren eines Werkzeugs bzw. einer Nutzlast, unterstützt. Solch ein Gelenkmechanismus ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 220 035 A1 bekannt. Fertigungs- und Montagemaschinen sind konzipiert, um die Bewegung und Positionierung von Komponenten zu steuern. Diese Bewegungskontrolle wird über elektronische Steuersignale erreicht, z. B. von einer Mensch-Maschine- oder Maschine-Maschine-Schnittstelle eines Automationssystems. Automationssysteme können auch eine spezielle Struktur als Tragehilfe für das Gewicht der Nutzlast beinhalten. Zum weitergehenden Stand der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften
US 5 485 763 A und
US 8 601 897 B2 verwiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen neuen Gelenkmechanismus anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit einem nachgiebigen Gelenkmechanismus gelöst, der sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.
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Der nachgiebige Gelenkmechanismus kann verwendet werden, um den Bediener beim Bewegen oder anderweitigen Einwirken auf eine statische Last zu unterstützen, aufgesetzt auf oder gestützt von einem Schlitten, der das abschließende/finale Verbindungsglied des nachgiebigen Gelenkmechanismus bildet. Eine Nutzlast, ein Arbeitswerkzeug oder ein anderes Objekt kann mit dem Schlitten über einen Endeffektor verbunden werden, und damit könnte die Größenordnung der statischen Last, wie hierin betrachtete, vom Schlitten allein bis zur Summe von Schlitten, Endeffektor und allen vom Endeffektor getragenen Lasten reichen. Mechanismus und System sind zur Verringerung von Haftreibung („Haften“) konfiguriert, die beim Bewegen einer derartigen statischen Last bzw. beim Einwirken auf dieselbe auftreten, und damit zur Bereitstellung einer gewünschten Menge an linearer/translativer Nachgiebigkeit.
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Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Nachgiebigkeit“ auf einen Grad der Verlagerung, verursacht als Reaktion auf eine angesetzte Eingangskraft, sodass eine erhöhte Nachgiebigkeit eine größere Verlagerung bei dem gleichen angesetzten Kraftaufwand ergibt. Der Begriff „linearer Nachgiebigkeitsmechanismus“, wie hierin verwendet, beschreibt somit einen hochnachgiebigen translativen Freiheitsgrad (DOF), d. h., einen DOF, in dem eine relativ weite lineare Verlagerung aus einer relativ niedrigen angesetzten Antriebskraft resultiert. In dieser Weise wird die vom Bediener wahrgenommene Anstrengung reduziert, wenn der Bediener die statische Last bewegt oder anderweitig auf diese einwirkt. Die Translation kann trotz eventueller Drehung der Verbindungsglieder des Nachgiebigkeitsmechanismus linear oder quasi-linear verlaufen. Mit anderen Worten: Die Translation erfolgt rein über die Drehbewegungen im Nachgiebigkeitsmechanismus, ohne Verwendung von z. B. Gleitelementen oder anderen linearen Vorrichtungen.
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Das System beinhaltet den nachgiebigen Gelenkmechanismus, und in bestimmten Ausführungsformen eine Stützkonstruktion wie eine obenliegende Laufkatze oder einen Roboter. Der nachgiebige Gelenkmechanismus, der mit der Tragstruktur und der statischen Last verbunden sein kann, gibt dem System einen oder mehrere gesteuerte lineare/translative Freiheitsgrade (DOF) entlang einer gegebenen horizontalen und/oder vertikalen Achse eines mehrachsigen Bezugssystems, z. B. eines kartesischen XYZ-Beispielrahmens. Unterschiedliche einzelne serielle oder kombinierte Ausführungsformen erzeugen die gewünschte Nachgiebigkeit und den DOF, um das gewünschte Nachgeben des Endeffektors mit einer beliebigen statischen Last aus einer durch den Bediener oder eine Maschine angesetzten Eingangskraft zu erzielen. Wie hierin beschrieben, nutzt der nachgiebige Gelenkmechanismus Verbindungsglieder und einachsiges Drehgelenke, um den beschriebenen linearen/translativen DOF und eine stabile Gleichgewichtsposition zu erzeugen.
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Der nachgiebige Gelenkmechanismus kann einen Endeffektor beinhalten. Die Tragkonstruktion beinhaltet den gesamten Steuerungs-DOF des Systems, außerhalb des translativen DOF, die von dem nachgiebigen, gegebenenfalls den Endeffektor beinhaltenden Gelenkmechanismus erzeugt wird. Die als „Endeffektor“ wie hierin verwendet bezeichnete Komponente kann als Mehrfachfingergreifer, Saugnapfeinheit, Spannbacken oder -klammern und dergleichen konfiguriert sein. Der nachgiebige Gelenkmechanismus ist statisch ausbalanciert, sodass ein Schlitten und jeder angeschlossene Endeffektor in einer stabilen Gleichgewichtslage bleibt, wenn die Last losgelassen wird, wobei in horizontalen DOF-Ausführungsformen Schwerkraft als Rückstellkraft des Schlittens in die Gleichgewichtslage genutzt wird, und in vertikalen DOF-Ausführungsformen eine mechanische Rückstellkraft mittels Federkraft erzeugt wird, beispielsweise von einer Schraubenfeder, einem Zylinder oder einem anderem elastischen Element. Die Drehbewegung im nachgiebigen Gelenkmechanismus wird somit in eine quasi-lineare Bewegung des nachgiebigen Gelenkmechanismus mit einer angekoppelten statischen Last umgewandelt, entlang eines translativen DOF mit einer Gleichgewichtsstellung. Der Nachgiebigkeitsmechanismus begrenzt oder verhindert auch eine Drehbewegung des Endeffektors und aller von diesem getragener statischen Lasten, was für manche Anwendungsfälle wünschenswert sein kann.
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Die Tragekonstruktion und/oder der Endeffektor können einen oder mehrere aktiv gesteuerte („aktive“) DOF aufweisen, die linear und/oder rotativ sein können und über eine optionale Steuerung automatisch gesteuert werden kann. Der nachgiebige Gelenkmechanismus stellt demgegenüber in den verschiedenen offenbarten Ausführungsformen einen passiven translativen DOF zur Verfügung.
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Der nachgiebige Gelenkmechanismus kann optional als Parallelogrammkonfiguration ausgeführt werden und/oder kann obere und/oder untere Nachgiebigkeitsmechanismen beinhalten. In einer Ausführungsform ist der obere Nachgiebigkeitsmechanismus zum Anschluss an den Tragmechanismus konfiguriert.
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Der untere Nachgiebigkeitsmechanismus kann an dem oberen Nachgiebigkeitsmechanismus befestigt werden, um die nachgiebige Bewegung der statischen Last mit einem oder beiden horizontalen DOF und/oder dem einen vertikalen DOF, wie oben erwähnt, sicherzustellen.
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Ein zusätzlicher nachgiebiger Gelenkmechanismus, wie ein Sarrus-Mechanismus oder ein Parallelogrammgestänge, kann verwendet werden, um einen passiven/translativen DOF entlang einer vertikalen Achse zu erzeugen. Beispielsweise kann der zusätzliche nachgiebige Gelenkmechanismus eine obere Platte, eine untere Platte sowie ein erstes und zweites Verbindungsgliedpaar beinhalten, das zwischen den Platten sitzt und mit diesen verbunden ist. Das erste und zweite Verbindungsgliedpaar sind in Scharnieren oder Drehgelenken drehbar angeordnet, wodurch der Abstand zwischen der oberen und untere Platte zu- und abnimmt, basierend auf einer bogenförmigen Bewegung um die Scharniere.
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Bestimmte Ausführungsformen können an den verschiedenen Gelenken Bremsen und/oder Verriegelungen einsetzen oder die Gelenkbewegung durch Steuersignale von der optionalen Steuerung begrenzen. Beispielsweise kann die Höhenverstellung des Systems auf eine oder mehrere Stufen begrenzt werden, konfiguriert zur Erfassung der Bewegung eines gegebenen Verbindungsgliedes in Gelenknähe und zur Übertragung eines Stufengrenzsignals an die Steuerung, wenn sich die Verbindungsglieder über einen vorbestimmten Grenzbereich hinaus bewegen. Die Steuerung kann als Reaktion auf ein Stufengrenzsignal die Bewegungen der Tragstruktur oder anderer Mechanismen des Systems mittels aktivem DOF selektiv stoppen, z. B. durch Arretierung der Bewegung oder Unterbrechung des Energieflusses über die Bremsen. Verriegelungen können nach Bedarf auch zum Feststellen der Bewegung des nachgiebigen Gelenkmechanismus oder der Tragstruktur entlang einer beliebigen Achse eingesetzt werden.
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Die oben aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsform/en und der besten Ausführungsweise/n der beschriebenen Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 stellt eine schematische Seitenansicht eines Systems das, das einen offenbarungsgemäßen nachgiebigen Gelenkmechanismus verwendet.
- 1A ist eine zusätzliche schematische Seitenansicht des in 1 dargestellten Systems.
- 1B zeigt einen mit einem nachgiebigen Gelenkmechanismus ausgerüsteten Roboter.
- 2 stellt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des exemplarischen nachgiebigen Gelenkmechanismus dar, der über zwei horizontale Freiheitsgrade (DOF) verfügt.
- 3A und 3B sind perspektivische Ansichten eines Teils des in 2 dargestellten nachgiebigen Gelenkmechanismus.
- 4A-4B stellen perspektivische Ansichten einer Ausführungsform des nachgiebigen Gelenkmechanismus dar, der über einen vertikalen DOF verfügt.
- 5 stellt eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des nachgiebigen Gelenkmechanismus mit einem vertikalen DOF dar.
- 6 stellt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des nachgiebigen Gelenkmechanismus dar, der drei DOF mit translativer Nachgiebigkeit bereitstellt.
- 7 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des in 2-3B dargestellten nachgiebigen Gelenkmechanismus mit optionalem Parallelogramm.
- 8 ist eine perspektivische Ansichtsveranschaulichung einer alternativen Ausführungsform, in der die nachgiebigen Gelenkmechanismen der 2 und 5 kombinieren, um einen translativen DOF entlang drei unterschiedlicher Achsen zu erzeugen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsformen der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Erfindung im Detail erörtert. Gleiche oder ähnliche Verweisziffern in der Zeichnungen und der Beschreibung beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Strukturen. Die Figuren sind in vereinfachter Form und nicht maßstäblich dargestellt. Zur Vereinfachung und Klarheit können richtungsweisendeBegriffe, wie oben, unten, links, rechts, nach oben, über, oben, unter, unterhalb, hinten und vorn mit Bezug auf die Zeichnungen angewendet werden. Diese und diesen ähnliche, richtungsweisende Begriffe sind in keiner Weise zur Begrenzung des Umfangs der Erfindung auszulegen.
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Ein Beispielsystem 11 ist in 1 dargestellt, konfiguriert zum Tragen und Positionieren einer statischen Last 32, d. h., einer Nutzlast, eines Arbeitswerkzeugs oder eines anderen Objekts mit einer bekannten/feststehenden und damit statischen Masse. Das System 11 beinhaltet einen nachgiebigen Gelenkmechanismus 16, in 1-1B zur exemplarischen Vereinfachung schematisch als Kasten dargestellt. D nachgiebige Gelenkmechanismus 16 bietet einen, zwei, oder drei lineare/translative Freiheitsgrade (DOF) in verschiedenen Ausführungsformen, wie hierin mit Verweis auf 2-8 dargelegt, und kann eine optionale Tragstruktur 12 und Steuerung (C) 18 beinhalten. Der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 kann einen Endeffektor 13 beinhalten oder an diesen gekoppelt sein, konfiguriert zum Koppeln, Sichern oder anderweitigem Tragen der statischen Last 32.
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Die Stützkonstruktion 12 kann als beliebige Positionierungs- und Stützstruktur mit mehreren gesteuerten DOF ausgeführt werden, von denen einige aktiv („aktiver DOF“) und einige passiv („passiver DOF“) gesteuert werden können. Im Ausführungsbeispiel der 1 beinhaltet die Tragstruktur 12 einen Grundkörper 14 und verschiedene Aufhängungsgestänge 30, die über elektronische Signale (Pfeil CCo) von der Steuerung 18 angesteuert werden. In anderen Ausführungsformen kann die Tragstruktur 12, wie in 1B dargestellt, einen Mehrachsroboter 60 beinhalten, beispielsweise einen 6-achsigen Industrieroboter. Ein derartiger Roboter 60 kann an einem Trägerteil 51, wie einem Podest, einer Säule oder einem Ausleger montiert sein, vertikal ausgerichtet wie dargestellt oder oben eingehängt, der dem Roboter 60 ermöglicht, den nachgiebigen Gelenkmechanismus zu sichern und zu positionieren. 1B zeigt zudem eine Hand 20H eines Bedieners 20, dargestellt in den 1 und 1B, während der Bediener 20 einen Positionierhandgriff erfasst und den mit einer statischen Last 32 gekoppelten nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 bewegt, wobei die Last 32 in 1B zwecks Übersichtlichkeit weggelassen wurde. Obwohl hier ein Bediener 20 dargestellt ist, kann der hierin beschriebene Bediener 20 in verschiedenen Ausführungsformen eine Maschine, ein Roboter, oder ein machinenassistierter menschlicher Bediener sein. Demzufolge darf der Begriff „Bediener“ wie hierin verwendet nicht auf menschliche Bediener eingeschränkt werden.
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Der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 der
1 und
1A ist konfiguriert, um Haftreibung zu reduzieren und den Bediener 20 durch Reduzierung oder Eliminierung gezielter Nutzlasten bei der Durchführung aller gegebener Arbeitsaufgaben passiv zu unterstützen, sowie dem Bediener 20 die Manipulation des Endeffektors 13 in einem dreidimensionalen Raum zu ermöglichen, wie in
1 durch einen kartesischen XYZ-Bezugssystem dargestellt. Als Beispiel kann der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 in Verbindung mit einem in der US-Anmeldung
US 2016 / 0 039 093 A1 beschriebenen System angewendet werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 und 1A kann die Tragstruktur 12 optional obenliegende Stützträger 22 mit einem aktiven/betätigten linearen Positioniermechanismus beinhalten, z. B. einen obenliegenden Portal- oder Brückenkran mit doppeltem linearem DOF, ausgestattet mit Antriebsrädern 17 die mit den Aufhängegestängen 30 einen Wagen bilden und einen möglichen rotativen DOF bereitstellen. Die Stützträger 22 können einen oder mehrere horizontale Schienen 24, vertikale Stützträger 26 und abgewinkelte Stützträger 28 beinhalten. Die Begriffe „horizontal“ und „vertikal“, wie hierin verwendet, beziehen sich auf eine typische Ausrichtung nach dem kartesischen XYZ-Bezugssystem, mit der Z-Achse der vertikalen Achse orthogonal zu der horizontalen X und Y Achsen, und X und Y Achsen, welche orthogonal zueinander. Die vertikale Stützträger 26 und die abgewinkelten Stützträger 28 tragen zusammen das Gewicht der horizontalen Schienen 24 und allen daran aufgehängten Strukturen, wobei die horizontalen Schienen 24 im Verhältnis zum Bediener 20 in stehender Position obenliegend angeordnet sind. Die Antriebsräder 17 können von Motoren mit Ketten- oder Riementrieben und dergleichen (nicht dargestellt) betätigt werden, sodass der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 mit allen getragenen statischen Lasten 32 eine Translationsbewegung entlang der horizontalen Schienen 24 ausführt, wie durch den Doppelpfeil AA angezeigt, oder sich nach Bedarf dreht.
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Die gleichen Antriebsräder 17 und das Aufhängungsgestänge 30 können in manchen Ausführungsformen im Verhältnis zu den horizontalen Schienen 24 orthogonal versetzt werden, wie durch den Doppelpfeil BB in 1A dargestellt. Die beiden translativen DOF können zusammen mit translativen und rotativen DOF des optionalen Grundkörpers 14 von der Steuerung 18 gesteuert werden, sodass der Grundkörper 14 eine Struktur zum Bereitstellen des translativen DOF der Beispielstützkonstruktion 22 beinhaltet. Wie oben erwähnt ist die Struktur in 1 und 1A lediglich eine mögliche Konfiguration, wobei der in 1B dargestellte Roboter 60 dazu eingesetzt wird, bei anderen Ausführungsformen die gleichen oder zusätzlichen translativen und/oder rotativen DOF bereitzustellen.
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Die Steuerung 18 von 1 und 1A kann als Digitalcomputer mit einem Prozessor (P) und einem Speicher (M) ausgeführt werden. Der Speicher (M) beinhaltet ausreichenden konkreten permanenten Speicherplatz, z. B. ROM-Festwertspeicher Flash-Speicher, Optik- und/oder Magnetspeicher EEPROM-Festwertspeicher und dergleichen. Der Speicher (M) beinhaltet auch ausreichenden Transientenspeicher, wie Direktzugriffsspeicher oder elektronischen Puffer. Zusätzlich kann die Steuerung 18 auch einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, analog-zu-digitale und digital-zu-analoge Schaltkreise, Input-Output-Schaltkreise und -Geräte sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Impedanzwandler-Schaltkreise umfassen. Der Speicher (M) kann mit computerlesbaren Anweisungen 100 programmiert werden, um die Steuerung 18 nach Bedarf zum Ansteuern aller aktiven Gelenke, Bremsen B und Verriegelungsmechanismen 182 zu befähigen, einschließlich der Arretierung der Bewegungen der Tragstruktur 12 oder des vorübergehenden Festsetzens von Bewegungen entlang einer gegebenen Achse falls erforderlich. An den einzelnen Gelenken können Codierer (nicht dargestellt) angebracht werden, um falls erforderlich Gelenkstellungen oder -winkel an die Steuerung 18 zu melden.
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Die Steuerung 18 kann auch eine optionale Mensch-Maschine-Benutzeroberfläche (HMI) wie einen Touchscreen zur Auswahl unterschiedlicher Steuermodi der Tragstruktur 12 beinhalten. Die HMI ist so programmiert, um dem Bediener 20 die Auswahl einer bestimmten Aufgabe, eines Steuermodus und der zugehörigen Regelvorschrift als Eingangssignal (Pfeil CCI) zu ermöglichen. Beispielsweise können betätigte Gelenke der Tragstruktur 12 autonom angesteuert werden, wenn die Gelenke unabhängig vom Bediener 20 vorprogrammierte Aufgaben durchführen, um den nicht wertschöpfenden zusätzlichen Aufwand des Bedieners 20 z. B. bei der Grobpositionierung der Vorrichtung 16, Endeffektor 13 und statische Last 32 zu reduzieren.
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Als Teil des Gesamtsteuerung des Systems 11 kann die Steuerung 18 Positionssignale (Pfeil Px) aus einer Vielzahl von Gelenkpositionssensoren (SP) empfangen, die an den entsprechenden Gelenkstellgliedern (nicht dargestellt) des Systems 11 angeordnet sind, d. h. den passiv oder aktiv betätigten Gelenken. Zusätzliche Gelenkpositionssensoren (SP) können im Verhältnis zu, d. h. auf, in, oder in unmittelbarer Nähe zu dem nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 angeordnet werden. Zur Vereinfachung sind nur zwei derartige Gelenkpositionssensoren (SP) dargestellt, es kann jedoch eine beliebige Anzahl von Gelenkpositionssensoren (SP) verwendet werden. Auf diese Weise kann die Steuerung 18 Positionsrückmeldungen zur Gesamtbewegungssteuerung des Systems 11 einsetzen. Der Bediener 20 kann von der Steuerung 18 über die HMI Vorrichtung zusätzliche Eingangssignale (Pfeil CCI) empfangen, wie Auswahlvorgänge einer bestimmten Aufgabe und/oder bevorzugte Steuermodi.
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Reichweitengrenzsignale (Pfeil L) können durch einen oder mehrere Reichweitengrenzsensoren (SL) erfasst werden, die im System 11 in unmittelbarer Nähe zu den verschiedenen Gelenkgrenzen des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16, des Endeffektors 13 und der Tragstruktur 12 angeordnet sind. Die Steuersignale (Pfeil CCo) werden von der Steuerung 18 an die verschiedenen Gelenkstellglieder des Systems 11 übertragen, z. B. drahtlos oder über eine Niederspannungs-Verkabelung, um gewünschte relative Stellungen der verschiedenen aktiven Gelenke des Systems 11 beizubehalten, wenn diese aktiven Gelenke genutzt werden.
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Wenn der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 einen Grenzbereich eines seiner Gelenke erreicht, erfasst von den Reichweitengrenzsensoren (SL) und an die Steuerung 18 als Reichweitengrenzsignale (Pfeil L) übertragen, kann die Steuerung 18 als Teil der Steuersignale (Pfeil CCo) das Aussetzen bzw. den Halt der Stützkonstruktionsbewegung 12 anweisen. Beispielsweise kann die Steuerung 18 als Reaktion auf die Reichweitengrenzsignale (Pfeil L) durch die Übertragung von Ansteuerungssignalen (Pfeil CCo) an Bremsstellglieder oder Bremsen (B) an den verschiedenen Gelenken des Systems 11 eine Notabschaltung (Not-Aus) der Tragstruktur 12 auslösen. Die Reichweitengrenzsignale (Pfeil L) können aus Gründen der Signalredundanz duale Kanäle enthalten. Verriegelungen 182 können an einem entsprechenden Drehgelenk der weiter unten beschriebenen Nachgiebigkeitsvorrichtung 16 angebracht werden, um im Bedarfsfall vorübergehend die Bewegung entlang einer gegebenen Achse zu verhindern.
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In der Technik bekannte Bremstypen (B) können Magnetventileinrichtungen oder Hydraulikklammern, Reibungsbremsen, magnetische Bremsen oder andere mechanische oder elektrische Verriegelungen beinhalten. Derartige Bremsstellglieder können unabhängig ausgelöst werden, d. h., ohne Rücksicht auf den Status der Reichweitengrenzsignale (Pfeil L). Das heißt, die Bremsen (B) können selektiv ausgelöst werden, um den Bewegungsbereich des Endeffektors 13 und jeder angekoppelten statischen Last 32 in einem entsprechenden Freiheitsgrad des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 einzuschränken. Ein Beispielort für das Bremsstellglied (B) ist schematisch in 1 dargestellt, der technisch versierte Fachmann wird jedoch erkennen, dass alle Gelenke mit ähnlichen Bremsstellgliedem (B) ausgestattet und automatisch gesteuert werden können, sodass einzelne aktive DOF über die Steuersignale (Pfeil CCo) wahlweise verriegelt werden können. Desgleichen können die Verriegelungsvorrichtungen 182 Klammern, Stifte oder andere geeignete formschlüssige Mechanismen sein. Für eine gegebene Nachgiebigkeitsvorrichtung 16 ist die Verriegelung Drehung um ein Gelenk ausreichend, um die Bewegung entlang einer gegebenen Achse/eines Freiheitsgrad zu blockieren.
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Wie in 2 dargestellt kann der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 konfiguriert sein, um einen oder zwei horizontale lineare/translative DOF für die Handhabung des Endeffektors 13 mit statischer Last 32 laut 1 bereitzustellen, d. h. eine passive translative DOF entlang der Achsen X und/oder Y im kartesischen Beispielbezugssystem bereitzustellen. Der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 in der exemplarischen Ausführungsform von 2 beinhaltet einen oberen Nachgiebigkeitsmechanismus 36 und einen unteren Nachgiebigkeitsmechanismus 38, wobei sich „oberer“ und „unterer“ auf die normale vertikale Ausrichtung des Bedieners 20 der 1 und 1A bezieht. Wenn lediglich ein translativer DOF erwünscht ist, kann der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 entfallen. Der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 kann mit der Tragstruktur 12 unter Verwendung jedes geeigneten Befestigungmittels gekoppelt werden, z. B. Schrauben, Klammern oder Klemmen. Der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 kann benachbart zum oberen Mechanismus 36 angeordnet werden, z. B. wie dargestellt auf vertikalen Schienen 37. Die Verbindungsglieder 46 des oberen Nachgiebigkeitsmechanismus 36 sind koaxial ausgerichtet und können starr mit der Tragstruktur 12 gekoppelt werden, beispielsweise über Schrauben, Klemmen oder andere geeignete Mittel, sodass die Drehbewegung laut den 3A und 3B stattfindet, während die Ausrichtung der Verbindungsglieder 46 fest bleibt.
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Jeder der entsprechenden oberen und unteren Nachgiebigkeitsmechanismen 36 und 38 kann oben eingehängt oder anderweitig oben befestigt werden, z. B. an den Schienen 24 (1 und 1A) oder am Roboter 60 (1B). Im Betrieb sind die Mechanismen 36 und/oder 38 konfiguriert, um einen Schlitten 92 zu tragen, der zumindest ein Verbindungsglied 57, oder eine Vielzahl von Verbindungsgliedern 57 beinhaltet, die in einer vordefinierten geometrischen Form, beispielsweise einem Rechteck oder Quadrat, starr miteinander gekoppelt sind. Der Ausdruck „starr gekoppelt“, wie hierin verwendet, bedeutet dass der Schlitten 92 als ganze Einheit bewegt wird, das heißt, als starrer Kastenrahmen wie dargestellt. Wenn der Schlitten 92 gekoppelt ist, befinden sich der Endeffektor 13 und die statische Last 32 in einer stabilen Gleichgewichtsposition, bei der die Schwerkraft als Rückstellkraft wirkt, d. h. als gravitative Rückstellkraft. Das wird erreicht durch die Umsetzung der Drehbewegung der Gestänge des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 im Allgemeinen lineare/quasi-lineare Bewegungen, unter Nutzung der reinen Schwerkraft, d. h. wenn der Bediener 20 die statische Last 32 der 1 und 1A freigibt. Der Schlitten 92 kann mit dem Endeffektor 13 der 1 gekoppelt werden, beispielsweise mit Klammern, Schrauben, Klemmen oder einem anderen geeigneten Befestigungsmittel.
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3A und 3B veranschaulichen die Funktion des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 aus 2 mit Bezug auf den oberen Nachgiebigkeitsmechanismus 36. Die Funktion des unteren Nachgiebigkeitsmechanismus 38 ist identisch konfiguriert, mit der gleichen Struktur, aber entlang einer unterschiedlichen horizontalen Achse orientiert. Daher gilt die Beschreibung des oberen nachgiebigen Mechanismus 36 auch für den unteren Nachgiebigkeitsmechanismus 38.
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Der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 kann einen Satz von parallelen Gelenkviereck-Anordnungen 41 beinhalten, die an beiden Seiten symmetrisch sind, wie dargestellt, beispielsweise identisch in einigen Ausführungsformen, und drehbar in parallelen Ebenen. Derartige Anordnungen bieten eine Umsetzung einer Drehbewegung des Endeffektors 13 in eine allgemeine Linearbewegung, beispielsweise einen flachen Bogen, der innerhalb ungefähr 5-10 Grad der echten Horizontale liegt. Es versteht sich, dass eine Vielzahl von Gelenkvierecken 41 verwendet werden kann, um die die Aufgaben der Erfindung zu erfüllen. Beispielsweise kann der Satz von Gelenkvierecken 41 einen abgeänderten Tschebyschow-Mechanismus enthalten. In anderen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung kann ein Hoecken-Mechanismus oder ein Tschebyschow-Lambda-Mechanismus verwendet werden, um die Drehbewegung in allgemein geradlinige bzw. lineare Bewegung umzuwandeln, um die Aufgaben der Erfindung zu erfüllen. Die geradlinige Bewegung wird offenbarungsgemäß in eine quasi-lineare Bewegung abgeändert, die aus einem Kreisbogenabschnitt besteht, dessen Zentrum weit oberhalb des Schlittens 92 liegt. Das hilft bei der Herstellung der hierin beschriebenen mittigen Gleichgewichtslage.
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Der Satz von parallelen Gelenkviereck-Anordnungen 41 kann als erster und zweiter Satz von parallelen Gelenkviereck-Anordnungen 42 und 44 wie in den 3A-3B dargestellt ausgeführt werden. Die Gestängeanordnungen 42 und 44 können ein oberes Verbindungsglied 46 beinhalten, das ein gemeinsames Element zwischen den Gestängeanordnungen 41 sein kann. Jedoch versteht es sich, dass in jedem der jeweiligen Sätze von Gestängeanordnungen 42 und 44 unterschiedliche obere Verbindungsglieder 46 zur Erfüllung der offenbarungsgemäßen Aufgaben verwendet werden können. Obwohl in den 3A und 3B nicht dargestellt, kann das obere Verbindungsglied 46 zur Befestigung an einem benachbarten Nachgiebigkeitsmechanismus 16 ausgebildet oder starr mit der Stützkonstruktion verbunden 12 der 1 sein.
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Der Satz von Gelenkvierecken 42 kann erste und zweite Verbindungsglieder 48 und 50 beinhalten, die sich über den Abstand zwischen dem/den oberen Verbindungsglied(ern) 46 und den unteren Verbindungsgliedern 82, 98 erstreckt. Jedes Verbindungsglied 48, 50 ist einstellbar an jeweiligen Drehgelenken 52 und 54 mit dem oberen Verbindungsglied 46 verbunden. Aus Gründen der Klarheit erstrecken sich die ersten und zweiten Verbindungsglieder 48 und 50 generell vom oberen Verbindungsglied 46 nach unten in Richtung der unteren Verbindungsglieder 82, 98. Die Drehgelenke 52 und 54 wirken mit den entsprechenden ersten und zweiten Verbindungsgliedern 48 und 50 zusammen, sodass sich jedes Verbindungsglied 48 und 50 um eine Achse drehen kann, die durch das entsprechende Drehgelenk 52 oder 54 führt, wie durch die Pfeile 56 und 58 dargestellt. Die unteren Enden der ersten und zweiten Verbindungsglieder 48, 50 sind über die Drehgelenke 62 und 64 einstellbar mit dem unteren Verbindungsglied 98 verbunden. Das obere Verbindungsglied 46, die ersten und zweiten Verbindungsglieder 48 und 50 und das untere Verbindungsglied 98, stellen die Verbindungsglieder des ersten Satzes von parallelen Gelenkviereck-Anordnungen 42 dar, nachdem sie miteinander verbunden sind. Die Verbindungsglieder 48 und 50 können sich um eine Achse drehen, die durch die jeweiligen Drehgelenke 62 und 64 führt, wie durch die Pfeile 66 und 68 gezeigt.
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Der zweite Satz von parallelen Gelenkviereckanordnungen 44 kann zu den Anordnungen 42 benachbart angeordnet sein und mit diesen zusammenwirken. Die Anordnungen 44 beinhalten im Allgemeinen dritte und vierte Verbindungsglieder 70 und 72. Die dritten und vierten Verbindungsglieder 70 und 72 sind über die Drehgelenke 74 und 76 einstellbar mit dem oberen Verbindungsglied 46 verbunden. Die Gelenke 74 und 76 ermöglichen eine Drehbewegung, wie von den Pfeilen 78 und 80 angezeigt, des jeweiligen dritten und vierten Verbindungsgliedes 70 und 72 um eine Achse, die durch die Drehgelenke 74 und 76 führt. Die unteren Enden der Verbindungsglieder 70 und 72 sind mit dem unteren Link 82 über die Drehgelenke 84 und 86 verbunden, sodass die Verbindungsglieder 70 und 72 sich jeweils um Achsen drehen können, die durch die Drehgelenke 84 und 86 führen, wie jeweils durch die Pfeile 88 und 90 dargestellt.
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In einer Ausführungsform kann der Schlitten 92 einstellbar mit dem unteren Verbindungsglied 82 und 98 der jeweiligen ersten und zweiten Gestängeanordnungen 42, 44 über die Gelenke 94, 96 verbunden sein. Der Schlitten 92 kann zur Aufnahme und lösbaren Befestigung des Endeffektors 13 konfiguriert sein, wie schematisch in 1 dargestellt. Der Schlitten 92 kann von rechteckiger Form und sich im Wesentlichen parallel zur oberen Verbindungsgliedern 46 erstrecken.
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In 3B sind die parallelen Gelenkviereckanordnungen 42 und 44 in einer gegenüber der Position von 3A versetzten Position dargestellt. In der versetzten Position drehen sich die entsprechenden ersten, zweiten, dritten, und vierten Verbindungsglieder 48, 50, 70, und 72 der ersten und zweiten Verbindungen 42, 44 um die Drehgelenke 52, 54, 74, und 76. Die unteren Verbindungsglieder 82 und 98 der jeweiligen ersten und zweiten Gestänge 42, 44 drehen sich als Reaktion auf die Drehbewegung der Verbindungsglieder der Gestängeanordnung 42, 44. Als Reaktion auf diese Drehbewegung der unteren Verbindungsglieder 82 und 98 wird der Schlitten 92 entlang einer allgemein linearen Strecke versetzt, dargestellt durch den Doppelpfeil LL, wodurch die gewünschte Nachgiebigkeit der Last 32 von 1 erreicht wird, die an dem Schlitten 92 befestigt ist, obwohl sie in 3B weggelassen wird.
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Nach der Versetzung kehren der Schlitten 92 des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 der 3B und insbesondere der Endeffektor 13 mit einer eventuell angekoppelten statischen Last 32 wieder in eine stabile Gleichgewichtsposition gemäß 3A zurück, wobei die Schwerkraft als Rückstellkraft wirkt, d. h. als gravitative Rückstellkraft. Das heißt, ein Tschebyschow-Mechanismus, wie hier zur Ausführung einer Kreisbewegung mit einem großen Radius modifiziert, stellt im Zusammenwirken mit der Schwerkraft eine ausreichende Rückstellkraft bereit, um die Drehbewegung in eine statische Gleichgewichtsposition zu bringen. Die Anordnung der Gestänge im nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 der 2-3B erzeugt eine nahezu lineare Nachgiebigkeit mithilfe von Schwerkraft unter gleichzeitiger wesentlicher Verringerung der Haftreibungskräfte, wie sie häufig im Zusammenhang mit konventionellen Linearführungen entstehen. Aus Gründen der Klarheit können sich die Drehachsen, die durch die verschiedenen Drehgelenke der ersten und zweiten Gestängeanordnungen 42 und 44 führen, in dieser Anordnung generell horizontal und seitlich und im Allgemeinen parallel zueinander erstrecken.
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Jeder einzelne nachgiebige Gelenkmechanismus 16 steuert wie oben beschrieben eine lineare/translative Bewegung entlang einer einzigen horizontalen Bewegungsachse oder DOF. Der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 der 2-3B kann optional benachbart zu den vertikalen Stützträgern 26 der in 1 dargestellten Stützkonstruktion 12 oder an dem Roboter 60 der 1B befestigt werden, und der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 kann z. B. über die Schienen 37 in 2 an einem Abschnitt des oberen Nachgiebigkeitsmechanismus 36 befestigt werden. Der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 stellt das Gleichgewicht her und steuert die lineare Bewegung in einer Richtung oder einem DOF, in diesem Fall der Y-Achse, während der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 das Gleichgewicht herstellt und die lineare Bewegung in einer unterschiedlichen Achse der Bewegung oder DOF steuert, in diesem Fall der X-Achse. Jeder der oberen und unteren nachgiebigen Mechanismen 36 und 38 können als erste und zweite Sätze von parallelen Gelenkvierecken, wie dargestellt, ausgeführt werden.
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Demnach bleibt der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 in einer stabilen Gleichgewichtslage, während der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 die Position des auf dem Schlitten befestigten 92 Endeffektors 13/der statischen Last 32 entlang eines gesteuerten, linearen bzw. im Allgemeinen linearen Weges entlang der Achse X einstellt. Wenn die relative Position innerhalb des Systems 11 eingestellt wird, stabilisiert und steuert der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 die Bewegung des Endeffektors 13/der statischen Last 32 auf der Y-Bewegungsachse, während der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 die stabile Bewegung des Endeffektors 13/der statischen Last 32 entlang der Achse X oder umgekehrt gewährleistet, falls die Ausrichtungen umgekehrt werden.
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Die Verwendung eines Doppelsatzes paralleler Gelenkviereckanordnungen 41 für jeden der oberen und unteren Nachgiebigkeitsmechanismen 36 und 38 in Kombination mit dem Stapeln der oberen und unteren Nachgiebigkeitsmechanismen 36, 38, gewährleistet einen kompakten Nachgiebigkeitsmechanismus 16 mit einem stabilen Gleichgewicht mit Schwerkraft als Rückstellkraft, wie oben erwähnt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Steuerung 18 eine Anschlag-zu-Anschlag-Bewegung des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 anweisen, wodurch jeder der oberen und unteren Nachgiebigkeitsmechanismen 36, 38 veranlasst wird, die Bewegung abzubrechen und in eine Gleichgewichtsposition zurückzukehren, um die Bewegung der Last 32 zu stoppen.
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Kurz bezugnehmend auf 7 kann die Konfiguration der 3A-B vereinfacht werden und als grundlegende Parallelogrammanordnung 36A angewendet werden. In einer derartigen Ausführungsform kann das obere Verbindungsglied 46 parallel zu einem unteren Verbindungsglied 46A angeordnet werden, wobei die Verbindungsglieder 70A und 72A jeweils an den Drehgelenken 176 drehbar mit dem oberen Verbindungsglied 46 verbunden sind. Desgleichen ist das untere Verbindungsglied 46A jeweils an den Gelenken 186 und 184 drehbar mit den Verbindungsgliedern 70A und 72A verbunden. Die Bewegung des unteren Verbindungsglieds 46A, an dem der Endeffektor 13 der 1 angebracht sein kann, ergibt somit eine quasi-lineare Translation des Endeffektors 13, wie durch die flache Bahn (T) eines Mittelpunkts P1 des unteren Verbindungsglieds 46A dargestellt. Während in 7 nur ein Verbindungsgliedsatz 70A, 72A verwendet werden kann, kann als zusätzliche Stütze ein paralleler Verbindungsgliedersatz 70A, 72A eingesetzt werden, um eine kastenartige Anordnung in ähnlicher Weise wie in 3A-B zu bilden.
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Die Ausführungsformen der 2-3B und 7 zeigen Konzepte zur Erzielung einer passiven Nachgiebigkeit mit einem oder beiden horizontalen DOF. Zusätzlich stellen die 4A-4B ein zur Erzielung eines vertikalen DOF hilfreiches Ausführungsbeispiel dar. Ein nachgiebiger Gelenkmechanismus 160 in Form eines Sarrus-Mechanismus wird gezeigt, der zur passiven Erzielung eines linearen DOF in der Z-Achse fähig ist. Wie in 4A dargestellt, beinhaltet eine Deckplatte 132, z. B. ein rechteckiges oder quadratisches Stück aus Metall oder starrem Kunststoff, Aufnahmeelemente 134 wie vertikal ausgerichtete Platten, konfiguriert zur Aufnahme eines Abschnitts der Stützkonstruktion 12 der 1. Die obere Platte 132 ist zudem mit einer Federstütze 156 verbunden. Eine erstes Verbindungsgliedpaar beinhaltet ein oberes Verbindungsglied 138, einstellbar an einem Abschnitt der oberen Platte 132 verbunden, und ein unteres Verbindungsglied 140, einstellbar an einer Bodenplatte 142 verbunden. Die Bodenplatte 142 kann konfiguriert werden, um den Endeffektor 13 mit Last 32 der 1 aufzunehmen und zu tragen. Ein statisches Gleichgewicht ist somit entlang der Z-Achse gegeben, dargestellt durch den Pfeil ZZ.
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Das obere Verbindungsglied 138 und das untere Verbindungsglied 140 drehbar verbunden sind über ein Scharnier oder ein Drehgelenk 144 miteinander verbunden. Ein zweiter Verbindungsglieder- oder Plattensatz 146, benachbart am ersten Verbindungsgliedpaar angeordnet, beinhaltet ein oberes Verbindungsglied 148, das einstellbar an der Deckplatte 132 befestigt ist, und ein unteres Verbindungsglied 150, das einstellbar an der Bodenplatte 142 befestigt ist. Das obere Verbindungsglied 148 und das untere Verbindungsglied 150 sind über ein Scharnier oder Drehgelenk 152 miteinander verbunden. Ein Federelement 154 kann zwischen der Federstütze 156 und einem Querträger 149 angebracht werden, der sich zwischen den oberen Verbindungsgliedern 138 erstreckt. Das Federelement 154, beispielsweise eine Schraubenfeder, ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder oder eine andere geeignete Struktur, stellt eine statische Kraft bereit, mit einer Gleichgewichtsposition der Mitte der Reichweite des nachgiebigen Gelenkmechanismus 160. Das Federelement 154 stützt damit die Last 32 und bringt eine mechanische Rückstellkraft auf, im Gegensatz zu der gravitativen Rückstellkraft, die als Rückstellkraft auf den horizontalen Achsen genutzt, wenn die Last 32 oder Betreiber darauf wirkenden Kraft losgelassen wird.
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4B stellt den nachgiebigen Gelenkmechanismus 160 der 4A in eine vertikal gestreckten Position dar, d. h., in vertikaler Richtung ausgestreckt, wie durch den Doppelpfeil ZZ angezeigt. Die entsprechenden oberen und unteren Befestigungselemente 138 und 140 drehen sich in den Scharnieren 144, 152, wodurch der Abstand zwischen der oberen Platte 132 und der Bodenplatte 142 erhöht oder verringert wird, basierend auf der kreisförmigen Bewegung der Scharniere 144, 152. Das oben erwähnte Federelement 154 wirkt mit der Gelenkbewegung des ersten Plattenpaars 132 zusammen, um so eine statische Kraft aufzubringen, mit einer Gleichgewichtsposition in der Mitte der vertikalen Bewegungsfreiheit und Verringerung der Haftreibung.
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Das Federelement 154 kann einstellbar mit der oberen Platte 132 verbunden werden. Eine Position des Federelement 154 ist in manchen Ausführungsformen im Verhältnis zu der oberen Platte 132 einstellbar, um die Spannung des Federelements 154 zu erhöhen oder zu verringern, wodurch die statische Kraft des Federelements 154 erhöht oder verringert wird. Diese Anpassung ermöglicht die manuelle oder aktive Einstellung der statischen Kraft, die basierend auf der Last 32 aufgebracht werden muss, ohne eine Rekonfiguration des nachgiebigen Gelenkmechanismus 160 während des Betriebs zu erfordern.
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In 5 wird ein alternativer nachgiebiger Gelenkmechanismus 260 offenbart, der eine ähnliche vertikale Nachgiebigkeit erzeugt, wie oben mit Bezug auf 4A-B beschrieben. Der nachgiebige Gelenkmechanismus 260 kann eine Gestängeanordnung 104 mit einem stationären Element 106 an den gegenüberliegenden zweiten und dritten Verbindungsgliedern 108 und 110 beinhalten, deren Mittelpunkte (m) jeweils an den Gelenken 112 und 114 einstellbar sind. Ein viertes Verbindungsglied 116 ist mit den zweiten und dritten Verbindungsgliedern 108, 110 an den jeweiligen Gelenken 118 und 120 verbunden. Die Verbindungsglieder 108 und 110 sind an dem stationären Element 106 montiert. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der nachgiebige Gelenkmechanismus 260 ein Parallelogramm bildet, worin die Verbindungsglieder 108 und 116 die gleiche Länge aufweisen.
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In der Darstellung in 5 beinhaltet das Parallelogramm-Gestänge des nachgiebigen Gelenkmechanismus 260 ein Federelement 122 mit einer veränderlichen Länge (s) und einer Steifigkeit (k), das einstellbar zwischen den ersten und zweiten Verbindungsgliedern 106 und 108 befestigt ist. Die Position (x, h) eines Aufhängungspunkts des Federelements 122 an dem feststehenden Element 106 kann entweder manuell oder aktiv verstellbar sein, um unterschiedliche Kraftbelastungen bereitzustellen. Das Federelement 122 erzeugt eine statische Kraft zur Rückführung der Verbindungsglieder 108, 110 und 116 mittels Schwerkraft (g) auf eine stabile Gleichgewichtsposition in der Mitte der Reichweite des Nachgiebigkeitsmechanismus 260. Demnach kann ein Endeffektor 13 wie in 1 mit dem Verbindungsglied 116 gekoppelt und durch einen Winkel (θ) bewegt werden, im Verhältnis zur eigentlichen Vertikalen, wodurch ein vertikaler DOF für Last 32 der 1 geschaffen wird.
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Das Federelement 122 kann als beliebiger, zum Ansetzen einer konstanten Kraft konfigurierter Lastausgleicher implementiert werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Federelement 122 eine Schraubenfeder oder ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder sein, montiert zwischen dem stationären Element 106 und einem sich bewegenden Verbindungsglied, z. B. den Verbindungsgliedern 108, 110 oder 116.
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6 und 8 zeigen zwei Ausführungsbeispiele für die Implementierung zweier horizontaler DOF und eines vertikalen DOF innerhalb des Systems 11 der 1. In 6 erfüllt ein nachgiebiger Gelenkmechanismus 360 diese 3-DOF-Nachgiebigkeit in einer Baugruppe, was bei bestimmten Anwendungen wünschenswert sein kann, z. B. bei denen die statische Last 32 relativ leicht ist. Der nachgiebige Gelenkmechanismus 360, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur einen passiven DOF bietet, beinhaltet einen Rahmen 162, der mehrere Parallelogrammanordnungen 164X, 164Y und 164Z aufnimmt und trägt. Die Parallelogramme 164X, 164Y und 164Z sind konfiguriert, um das Versetzen des Endeffektors 13 der 1 jeweils entlang der X, Y, und Z Achse zu ermöglichen. Optionale Gegengewichte 169 können nach Bedarf verwendet werden, um das Gewicht eines entsprechenden Gestänges zu verteilen und auszugleichen. Die Verriegelungen 182 können an jedem der Parallelogramme 164X, 164Y, und 164Z zur selektiven Verriegelung der Bewegung der Parallelogramme 164X, 164Y, und 164Z entlang einer gegebenen Achse im Bedarfsfall angebracht werden. Solche Verriegelungsvorrichtungen 182 können mit jedem der Gelenke der dargestellten Ausführungsformen angewendet werden.
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In einer Ausführungsform beinhaltet jedes der Parallelogramme 164X, 164Y und 164Z Parallelogrammanordnungen 174, von denen jede drehbar mit dem Rahmen 162 verbunden ist, z. B. über Drehgelenke, wie dargestellt. Ein erstes Gestänge 176 einer derartigen Anordnung 174 ist am Rahmen 162 befestigt oder gesichert, und ein gegenüberliegender zweiter Abschnitt 178 von gleicher Länge wie der erste Abschnitt 176 ist einstellbar mit einer schwenkbaren Verbindungsgliedanordnung 170 verbunden, wie dargestellt.
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Im Betrieb ist ein Verbindungselement/Schlitten 179 einstellbar mit dem Endeffektor 13 verbunden, wobei der Schlitten 179 eine zu dem oben beschriebenen Schlitten 92 analoge Funktion hat. Ein Verbindungsglied 170A ist mit einem Drehgelenk 180 versehen. Ein Verbindungsglied 170B ist ebenfalls einstellbar mit dem Drehgelenk 180 und der Gestängeanordnung 174 an entgegengesetzten Enden verbunden. Eine Drehbewegung der Gestängeanordnungen 174 als Reaktion auf eine Eingabekraft von einem Betreiber wird somit durch die schwenkbare Verbindungsgliedanordnung 170 mit den Verbindungsgliedern 170A, 170B versetzt, um eine im Wesentlichen lineare Bewegungsrichtung des Schlittens 179 zu erzeugen und, wenn angeschlossen, eines an einem Ende 172 des Verbindungselementes 179 angeordneten Endeffektors 13. Die Gestängeanordnung 174 kann ein fest mit dem ersten Gestänge 176 oder einem anderen Abschnitt der Gestängeanordnung 174 und der schwenkbaren Verbindungsgliedanordnung 170 verbundenes Federelement 122 beinhalten. Wie oben beschrieben kann ein derartiges Federelement 122 mit der Gelenkbewegung der Gestängeanordnung 174 und der schwenkbaren Verbindungsgliedanordnung 170 zusammenwirken, um eine mechanische Rückstellkraft entlang der vertikalen/Z-Achse zu erzeugen, mit einer stabilen Gleichgewichtsposition in einer Mitte der Reichweite des nachgiebigen Gelenkmechanismus 360, und mit Verringerung der Haftreibung, um sicherzustellen, dass dieses Gleichgewicht entlang der Z-Achse erhalten bleibt.
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FIG. 8 zeigt einen exemplarischen, nachgiebigen Gelenkmechanismus 460, der den nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 von 2 beinhaltet sowie einen zusätzlichen Nachgiebigkeitsmechanismus, in diesem Fall ein gekoppeltes Paar von nachgiebigen Gelenkmechanismen 260 von 5, wodurch passive Nachgiebigkeit entlang jeder der X, Y, und Z Achsen bereitgestellt wird. 2 und eine zusätzliche Nachgiebigkeitsmechanismus, in diesem Fall eine gekoppelten Paar der nachgiebige Gelenkmechanismus Mechanismen 260 der 5, wodurch passive Nachgiebigkeit entlang jeder der X, Y, und Z Achsen. Andere Ausführungsformen können vorgesehen sein, abhängig von der durchzuführenden Arbeitsaufgabe, beispielsweise das Positionieren des nachgiebige Gelenkmechanismus 160 der 4A und 4B oberhalb oder unterhalb des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16, oder die Verwendung nur des oberen Nachgiebigkeitsmechanismus 36 der 2, um nur eine horizontale DOF zu erzeugen.
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Die nachgiebigen Gelenkmechanismen 260 können mit dem stationären Element 160 gekoppelt sein, wie oben mit Bezug auf 5 angegeben. Die gegenseitige Verbindung von Elementen 99 in Form von Kreuzstücken oder Verbindungsgliedern können verwendet werden, um die die nachgiebige Gelenkmechanismen 260 aneinander zu koppeln, wobei der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 zwischen den nachgiebigen Gelenkmechanismen 260, wie gezeigt, aufgehängt wird. Obwohl in 8 zur Vereinfachung nicht dargestellt, kann ein Endeffektor 13 wie ein Greifer mit mehreren Fingern oder Saugnäpfen an den nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 gekoppelt werden, wobei die nachgiebigen Gelenkmechanismen 16 und 260 in Reihe angeordnet sind, um 3-DOF-Nachgiebigkeit zu schaffen, das heißt, eine translative DOF in einer vertikalen Richtung über die beiden miteinander verbundenen nachgiebigen Gelenkmechanismen 260 und ein Paar orthogonal angeordnete horizontale DOF, erzeugt vom nachgiebigen Gelenkmechanismus 16. Die serielle Konfiguration der 8 kann auch zugutekommt des hinzugefügten Stützstruktur für schwerer statischen Belastungen 32.
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In Anbetracht dieser Erfindung wird ein versierter Fachmann leicht erkennen, dass verschiedene Ausführungsformen zum Bereitstellen nachgiebiger linearer Freiheitsgrade möglich sind, zur Verwendung in Mensch-Maschine- oder Maschine-Maschine-Wechselwirkungen. Zu den weiteren Vorteilen gehören die niedrige Haftreibung gegenüber konventionellen linearen Gleitsystemen sowie Kompaktheit im Vergleich zu konventionellen Parallelogramm-Konstruktionen. Die offenbarten Ausführungsformen bieten eine Selbstzentrierung des Endeffektors 13 in beliebiger erwünschter Konfiguration, ohne Federn in der horizontalen/X-Ebene zu verwenden.
