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Die Erfindung betrifft einen Roboterarm mit mindestens zwei verschwenkbar miteinander verbundenen direkt angetriebenen Armgelenken.
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Derartige Roboterarme für einen Industrieroboter sind hinlänglich bekannt. Beispielsweise sind in
DE 20 2014 101 342 U sowie in
DE 10 2010 013 617 B4 Motor und Getriebe zusammengefasst angeordnet, welches jedoch bei der Verschwenkung des Armgelenks hinsichtlich der zu bewegenden Massen ungünstig ist. Es sind zudem Roboter bekannt, bei denen die Antriebe für die Armgelenke eines Roboterarmes am Sockel des Roboters angeordnet und aufwändig über beispielsweise an dem Roboterarm geführte Bowdenzüge als Kraftübertragungsmittel über entsprechend dem Abstand des jeweiligen Armgelenks zum Antrieb lange und feste Wege mit den jeweils zu bewegenden Gelenken verbunden. Hierüber ist ein fester Abstand zum Gelenk gegeben, der die Länge des Kraftübertragungsmittels festlegt, welches ohne aufwändige Umbauarbeiten keine Anpassung an geänderte Einsatzbedingungen des Roboters erlaubt.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist, einen gattungsgemäßen Roboterarm für einen Roboter bereitzustellen, bei dem der Energieaufwand zur Bewegung der Teile bei der Verschwenkung des Armgelenks vermindert ist. Ferner soll eine unaufwändige Anpassung des Roboterarmes an geänderte Einsatzbedingungen des Roboters möglich sein.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben. Die gestellte Aufgabe wird bereits dadurch gelöst, dass zumindest eines der beiden Armgelenke ein Motorteil und ein Gelenkteil aufweist, wobei diese beiden Teile über ein Distanzteil voneinander beabstandet angeordnet sind und das andere Armgelenk relativ zu dem einen Armgelenk lageveränderlich an dem Distanzteil des einen Armgelenks angreifend angeordnet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau sind Motorteil und Gelenkteil nicht unmittelbar gekoppelt. Zwischen Motorteil und Gelenkteil ist das Distanzteil angeordnet. Über das Distanzteil kann das Motordrehmoment von dem Motorteil auf das Gelenkteil übertragen werden. Diese Anordnung ermöglicht weiter unten beschriebene vorteilhafte Ausführungsformen des Roboterarms. Insbesondere muss ein für das Armgelenk vorgesehener Motor bei der Schwenkbewegung des Armgelenks Energie sparend nicht oder mit verringertem Kraftarm mit bewegt werden. Das andere Armgelenk kann in Einbaulage lageveränderlich an dem einen Armgelenk festlegbar sein. Es kann in Einbaulage lageveränderlich an dem Distanzteil des einen Armgelenks angreifen. Es kann der Abstand des Angriffspunktes, in dem das andere Armgelenk an dem einen Armgelenk angreift, zu dem Motorteil und zu dem Gelenkteil hin verändert werden. Hierbei kann das eine Armgelenk gegenüber dem anderen Armgelenk bezüglich einer Abfolgerichtung von einer Basis des Roboterarmes zu dessen freiem Ende hin hinter dem anderen Armgelenk angeordnet sein.
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Der Roboterarm kann über die Lageveränderung des anderen Armgelenks an dem einen Armgelenk beispielsweise an geänderte Einsatzbedingungen angepasst werden. Damit können die Hebelverhältnisse der beiden Armgelenke, die möglichen Verschwenkradien der beiden Armgelenke relativ zueinander und/oder die über die Armgelenke erreichbaren Weiten des Roboterarms eingestellt werden. In dem Motorteil wird vornehmlich ein axiales Motordrehmoment, das abtriebseitig über das Distanzteil an das Gelenkteil übertragen wird und im Gelenkteil in ein Drehmoment senkrecht zur Motorachse umgewandelt wird. Durch das Distanzteil wird eine räumliche Trennung vom Ort der Drehmomenterzeugung durch den Motor im Motorteil zu dem Ort der Drehmomentumwandlung in dem Gelenkteil erzielt. Es liegen die beiden wegen Motor bzw. Getriebe schweren und damit bewegungsträgeren Bauteile des Armgelenks, das Motorteil und das Gelenkteil, bezüglich des Angriffspunktes des anderen Armgelenks an dem Distanzteil einander gegenüber und können hierüber vorteilhaft sogar bezüglich der auf den Angriffspunkt wirkenden Drehmomente ins Gleichgewicht gebracht werden. Damit kann der Energieaufwand zur Bewegung der Teile und damit zur Verschwenkung des einen Armgelenks durch das andere Armgelenk vermindert werden.
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Vorteilhaft einfach kann konstruktiv vorgesehen sein, dass die Lageveränderung in oder etwa in Längsrichtung des Distanzteils erfolgt. Die Lageveränderung kann über einen vorzugsweise linearen Weg zwischen Motorteil und Gelenkteil erfolgen. Die Lageveränderung kann auch über einen zumindest teilweise gekrümmten oder abgewinkelten Weg zwischen Motorteil und Gelenkteil erfolgen.
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In einer Weiterbildung des Roboterarms kann die Lageveränderung durch Verschieben erfolgen. Das andere Armgelenk kann verschieblich an dem Distanzteil des einen Armgelenks festlegbar angeordnet sein. Die Verschiebung kann hinsichtlich eines Verschiebungsweges entsprechend der oben beschriebenen Lageveränderung erfolgen.
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Das Verschieben des anderen Armgelenks an dem einen Armgelenk kann beispielsweise bei der Montage oder zur Einstellung des Roboterarms erfolgen, indem die Verschiebung zu einem bestimmten Punkt hin erfolgt und das andere Armgelenk anschließend an dem einen Armgelenk festgelegt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform des Roboterarms kann vorgesehen sein, dass das andere Armgelenk an dem Distanzteil des einen Armgelenks motorgetrieben lageveränderlich angeordnet ist. Hierbei kann das andere Armgelenk über den Motorantrieb an einem beliebigen Punkt oder an ausgewählten Punkten über den Verfahrweg an dem Distanzteil des einen Armgelenks festgelegt werden.
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Vorteilhaft einfach kann das andere Armgelenk mit seinem Gelenkteil seitlich oder stirnseitig seitlich an dem Distanzteil des einen Armgelenks angreifend an demselben verschieblich festlegbar sein. Hierbei bezieht sich das seitliche bzw. stirnseitige Angreifen auf die Längserstreckung des jeweiligen Armgelenks beziehungsweise auf die Drehmomentübertragungsrichtung vom Motorteil auf das Gelenkteil. Ein seitliches Angreifen des Gelenkteiles ist beispielweise bei einem Gelenkteil mit Schneckengetriebe vorteilhaft. Bei dem Schneckengetriebe kann die Schwenkachse senkrecht zur Längserstreckung des an dem einen Armgelenk angreifenden anderen Armgelenks angeordnet sein. Ein stirnseitiger Angriff ist beispielsweise bei einem Gelenkteil mit einem üblichen Getriebe, wie Planetengetriebe oder Harmonic-Drive Getriebe, vorteilhaft, bei dem die Schwenkachse jeweils in Längserstreckung des an dem einen Armgelenk angreifenden anderen Armgelenks angeordnet ist. Mit dem Begriff Verschwenken ist auch ein Verdrehen gemeint.
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Vorteilhaft einfach kann das Distanzteil aus einem Längsprofilabschnitt aufgebaut sein. An diesem bzw. in diesem können neben dem anderen Armgelenk weiter unten beschriebene Vorrichtungen gleichzeitig geführt angeordnet sein. Insbesondere kann der Längsprofilabschnitt kann ein Standartlängsprofil sein. Es können die Längsprofilabschnitte der einzelnen Armgelenke des Roboterarms eine Stützstruktur zur Stabilisierung desselben bilden. Der Längsprofilabschnitt kann bequem aus einem Längsprofil in gewünschte Länge abgelängt werden. Das andere Armgelenk kann in einem bestimmten Punkt über die Länge des Längsprofilabschnitts an demselben längsverschieblich geführt und festgelegt werden.
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Der Längsprofilabschnitt weist ein Nutenprofil auf, in das das andere Armgelenk beispielsweise über einen in einer Längsnut des Nutenprofils geführten Mitnehmer, wie Nutenstein, längsverschieblich geführt eingreift. Der Längsprofilabschnitt kann aus einem Aluminiumwerkstoff oder Kunststoff gefertigt sein.
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Vorteilhaft kann das Gelenkteil des anderen Armgelenks zur Drehmomentübertragung eine Drehscheibe aufweisen. Über die Drehscheibe kann das Gelenkteil Drehmoment übertragungswirksam an dem Längsprofilabschnitt angreifen. Die Drehscheibe kann ferner einen vorkragenden Stützvorsprung zur seitlichen Abstützung an dem Längsprofilabschnitt aufweisen. Der Stützvorsprung kann seinerseits mit einer in Einbaubaulage seitlich an dem Längsprofilabschnitt anliegende Anlagefläche zur gleitverschieblichen Anlage des anderen Armgelenks an dem Distanzteil des einen Armgelenks aufweisen. Über diese Anlagefläche kann die Drehscheibe in Einbaulage mit dem Längsprofilabschnitt insbesondere dadurch verbunden sein, dass von dieser zumindest ein Schraubelement in ein am zugeordneten Mitnehmer oder Nutenstein vorgesehenes Innengewinde eingreift. Die Schwenkachse des anderen Armgelenks kann in Einbaulage senkrecht zur Längsrichtung zumindest des Bereichs des Distanzteiles angeordnet sein, in dem das andere Armgelenk an dem Distanzteil angreift.
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Der Stützvorsprung kann ein Stützprofil mit der Anlageseitenfläche aufweisen. Dieses Stützprofil kann allgemein dem Außenprofil des Längsprofilabschnitts angepasst ausgebildet sein. Die Anlageseitenfläche kann dem Außenprofil des Längsprofilabschnitts angepasst ausgebildet sein. Die Anlageseitenfläche kann bezüglich eines Querschnitts ein L-Profil oder ein U-Profil aufweisen. Sie kann auch zumindest einen Abschnitt, vorzugsweise vollständig, die Innenseitenwand einer für den Durchgriff des Längsprofilabschnitts vorgesehene Durchgangsöffnung bilden.
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Infolge der Trennung des Motorteils von dem Gelenkteil durch das Distanzteil ist es notwendig, dass die Motorkraft beispielsweise in Form eines Drehmomentes von dem Motorteil auf das Gelenkteil übertragen wird. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Roboterarms können Kraftübertragungsmittel, wie Riemen, insbesondere Zahnriemen, oder Momentübertragungswelle, wie eine zylindrische Welle, Schneckenwelle oder Spindel, zur Übertragung der Motorkraft von dem Motorteil auf das Gelenkteil vorgesehen sein. Die Kraftübertragungsmittel können in und/oder an dem Distanzteil geführt angeordnet sein.
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Hierbei können die Kraftübertragungsmittel außenseitig beispielsweise in einer nach außen offenen Nut angeordnet sein. Als vorteilhafter wird jedoch angesehen, dass das Distanzteil zumindest einen Motorteil und Gelenkteil verbindenden Führungskanal zur Aufnahme der Kraftübertragungsmittel zwischen Motorteil und Gelenkteil und/oder von vorgesehenen Leitungen, wie Steuer- und/oder Versorgungsleitungen, aufweist. Hierdurch sind diese Bauteile zusammengefasst und geschützt geführt angeordnet. Es können Kraftübertragungsmittel und Leitungen jeweils getrennt in einem Führungskanal angeordnet sein. Die beiden Führungskanäle können seitlich vollständig voneinander getrennt sein.
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Ferner kann sich der Führungskanal in das Motorteil und/oder das Gelenkteil hinein erstrecken.
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In einer Weiterbildung kann das Distanzteil zumindest zwei Längsprofilabschnitte aufweisen. Die Längsachsen der beiden Längsprofilabschnitte können hierbei einen Winkel von kleiner 180° einschließen. Zumindest an einem dieser Längsprofilabschnitte ist ein anderes Armgelenk angeschlossen, das seitlich geführt verschieblich festlegbar ist. Es kann an jedem der Längsprofilabschnitte ein anderes Armgelenk angeschlossen sein.
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Die beiden Längsprofilabschnitte können hierzu über ein Winkelteil miteinander verbunden sein. Das Winkelteil kann der Führungskanal für die Kraftübertragungsmittel und Leitungen aufweisen. Dieser kann fluchtend in den Führungskanal des jeweils an das Winkelteil angeschlossenen Längsprofilabschnitts übergehen. Das Winkelteil kann Umlenkmittel zur Umlenkung der Kraftübertragungsmittel und Leitungen in dem Führungskanal aufweisen. Die Umsetzung der Richtungsänderung der Kraftübertragungsmittel im Winkelteil können beispielsweise über Kegelzahnräder bei Wellenübertragung oder über Umlenkrollen bei Riemenübertragung realisiert werden.
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Es kann pro Längsprofilabschnitt ein anderes Armgelenk an demselben angreifen. Die hier beiden anderen Armgelenke können hierbei gleiche Baugröße und/oder gleichen Aufbau aufweisen, aber auch im Aufbau und/oder Baugröße differieren.
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Zum Motorkraft übertragungswirksamen Anschluss des Motorteils und/oder Gelenkteils jeweils an das Distanzteil kann zwischen Motorteil und Distanzteil und/oder zwischen Gelenkteil und Distanzteil jeweils ein Kupplungsteil vorgesehen sein. Konstruktiv einfach und montagefreundlich kann dieses Kupplungsteil als Klauenkupplung ausgebildet sein. In diesem Kupplungsteil kann der Führungskanal vorzugsweise fluchtend an den des Distanzteils anschließen. Der Führungskanal kann auch fluchtend an den Führungskanal im Motorteil und/oder an den des Gelenkteils anschließen.
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In dem Kupplungsteil kann ein Befestigungselement, insbesondere eine Befestigungskappe vorgesehen sein, mittels derer das Kupplungsteil in Einbaulage an dem Längsprofilabschnitts festgelegt anordnet ist. Ferner kann die Momentübertragungswelle in dem Kupplungsteil drehbar gelagert sein. Hierzu kann in das Befestigungsteil eine Gleitlagerhülse integriert sein, in der die Momentübertragungswelle geführt gelagert ist. Diese Gleitlagerhülse kann schmiermittelfrei ausgebildet sein.
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Bei der oben beschriebenen alternativen Ausführungsform des Roboterarms mit motorgetriebener Lageveränderlichkeit des anderen Armgelenks an dem Distanzteil des einen Armgelenks kann andere Armgelenk ebenfalls an dem Distanzteil geführt angeordnet sein. Der Motorantrieb hierzu kann an einem der beiden Armgelenke angeordnet sein.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass dieser Motorantrieb als Linearantrieb ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass beide Bewegungsformen, d.h. die relative Verschwenkung des einen Armgelenks zu einer Basis oder zu einem zur Basis hin anschließenden Armgelenks und die lineare Relativbewegung des anderen Armgelenks an dem einen Armgelenk unabhängig voneinander, d.h. auch gleichzeitig erfolgen kann.
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Der zuvor beschriebene Linearantrieb 8 von dem anderen Armgelenks 22 über Ritzel 81 und Zahnstange 82 auf den Längsprofilabschnitt 51, der die Längsverschiebung des anderen Armgelenks 22 bewirkt, wirkt bei der Ausführungsform des Linearantriebes 8 gemäß 9 der Linearantrieb 8 von dem einen Armgelenk 21 auf das Distanzteil 5 dieses Armgelenks 21. Der Linearantrieb kann ein Rotationsteil und Linearteil aufweisen. Er kann einen ihm zugeordneten üblichen Motorantrieb mit beispielsweise Schneckenrad und Drehspindel als Rotationsteil aufweisen.
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In einer Ausführungsform des Roboterarmes kann der Linearantrieb unter Einkopplung einer Linearbewegung von dem einen Armgelenk auf das Distanzteil dieses Armgelenks wirken.
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Hierzu kann der oben erwähnte Mitnehmer als Schubkörper bzw. Linearkörper dienen. Die Drehspindel kann mittels eines in dem Motorteil angeordneten Motorantriebs angetrieben werden. Die Drehspindel kann sich durch die Längsnut des Nutenprofils zu dem Mitnehmer hin erstrecken und unter Gewindeeingriff denselben axial durchgreifen. Hierzu kann der Mitnehmer ein Innengewinde aufweisen und verdrehfest in der Längsnut verschieblich gelagert sein. Mitnehmer und Längsnut können üblich so ausgebildet sein, dass eine Verschiebung möglichst reibungsfrei erfolgt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Motorteil des einen Armgelenks auch die lineare Relativbewegung des anderen Armgelenks an dem einen Armgelenk übernimmt. Hierzu kann beispielsweise ein Wechselgetriebe zwischengeschaltet sein, über das wahlweise die Motorkraft auf das Gelenkteil des einen Armgelenks oder auf das andere Armgelenk zu dessen linearen Relativbewegung an dem Distanzteil übertragbar ist. Hierbei kann die Schaltung des Wechselgetriebes vorzugsweise elektromagnetisch erfolgen.
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In einer anderen Ausbildung des Roboterarms kann der Linearantrieb von dem anderen Armgelenk über ein Ritzel als Drehteil und auf eine Zahnstange als Linearteil auf den Längsprofilabschnitt die Längsverschiebung des anderen Armgelenks bewirken. Insbesondere kann der Motorantrieb des Linearantriebs an dem anderen Armgelenk und hier insbesondere an dessen Gelenkteil angeordnet sein. Die Motordrehwelle kann hierbei abtriebsseitig auf das Ritzel als Rotationsteil einwirken, das in Einbaulage kämmend an einer Zahnstange als Linearteil angreift. Das Ritzel kann um eine Drehachse senkrecht zur Schwenkachse drehbar an dem Gelenkteil des anderen Armgelenks angeordnet sein, während die Zahnstange in Längsrichtung des Längsprofilabschnitts ausgerichtet an demselben festgelegt ist. Das Ritzel kann unmittelbar auf der Motordrehwelle angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist der Linearantrieb nachrüstbar. Dies lässt sich besonders einfach mit der zuletzt beschriebenen Ausführungsform des Linearantriebs verwirklichen.
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Die Festsetzung des anderen Gelenkteils an dem einen Gelenkteil kann durch das Anhalten des Linearantriebes erfolgen. Zusätzlich können zur Lagefixierung Brems- und/oder Blockiermittel vorgesehen sein.
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Es wird ferner ein besonderer Vorteil darin gesehen, dass das Armgelenk eine modulare Bauweise aufweist. Durch die Modulbauweise wird allgemein eine Vereinfachung der Montage sowie eine rasche unaufwändige Änderung und/oder Reparatur ermöglicht. Ferner können die Module in verschiedenen Abmessungen und Formen leicht bevorratet und der Montage gezielt zugeführt werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Module in einem Baukastensystem zusammengefasst werden, das neben dem bereits beschriebenen noch andere Variationen in den Ausführungsformen des Roboterarms ermöglichen. Diese Aneinanderreihung der Module in dem Baukastensystem hat auch wegen ihrer Übersichtlichkeit den Vorteil, dass die Gefahr von Montagefehlern weitgehend vermindert werden kann, so dass es auch für weniger geschulte Monteure möglich ist, einen ordnungsgemäßen Roboterarm zu zusammenzubauen und zu montieren.
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Prinzipiell können alle bereits beschriebenen Teile, wie Motorteil, Distanzteil, Gelenkteil, Längsprofilabschnitt, Kupplungsteil, Winkelteil, Kraftübertragungsmittel und Linearantrieb modular aufgebaut und damit Teil des Baukastensystems sein. Teil des Baukastensystems können auch Übergangsmodule sein, durch die eine Bauteilgröße in eine andere übergeführt wird. Insbesondere die in Einbaulage aneinandergereihten Bauteile, wie Motorteil, Distanzteil, Gelenkteil, Längsprofilabschnitt, Kupplungsteil und Winkelteil können jeweils über eine Steck-, Steck/Rast- und/oder Steck/Schraub-Verbindung miteinander verbunden sein. Alternativ zur Lösung der Aufgabe kann ein Montagesatz zur Erstellung eines Roboterarms gemäß einer der zuvor und nachfolgend beschriebenen Ausführungsarmen bereitgestellt werden, wobei der Montagesatz die zur Erstellung eines Roboterarms notwendigen Module in bestimmter Anzahl von baugleichen Modulen und/oder nicht baugleichen Modulen aufweist. Insbesondere können die Distanzmodule in unterschiedlichen Längen in dem Montagesatz vorgesehen sein.
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In einer alternativen Lösung der Aufgabe kann ein Roboter mit einem Roboterarm gemäß der zuvor und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein. Der Roboterarm kann zumindest teilweise aus einer Summe von erfindungsgemäßen Armgelenken aufgebaut sein, die bezüglich einer Bewegungsabfolge bzw. der Abfolgerichtung von der Basis zu dem freien Ende des Roboterarmes vornehmlich hintereinander angeordnet sind. Vor allem können die erfindungsgemäßen Armgelenke bei einem Roboterarm, bei einer Zählweise von der Basis zum freien Ende des Roboterarms hin, besonders vorteilhaft ab der dritten Achse des Roboterarmes bei einem Knickarmroboters und ab der zweiten Achse des Roboterarmes bei einem SCARA-Roboters oder horizontalen Knickarmroboter eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsformen des Roboterarms bzw. dessen Armgelenke näher erläutert, ohne jedoch die Erfindung hierauf beschränken zu wollen. In der Zeichnung zeigen:
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1a und 1b eine perspektivische Seitenansicht bzw. eine Seitenansicht eines als Knickarmroboter ausgebildeten Roboters mit einem Roboterarm in einer ersten Ausführungsform,
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2a und 2b eine perspektivische Seitenansicht bzw. eine Seitenansicht eines Armgelenks des Roboters gemäß 1 mit Motorteil, Gelenkteil und Distanzteil,
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3a und 3b eine perspektivische Seitenansicht bzw. eine Seitenansicht des Distanzteiles gemäß 2 mit angeschlossenem Kupplungsteil,
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4a und 4b eine perspektivische Seitenansicht bzw. eine Seitenansicht des Armgelenks des Roboters gemäß 2 mit an Distanzteil angreifendem weiterem Armgelenk,
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5a und 5b eine perspektivische Seitenansicht bzw. eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Armgelenks mit abgewinkeltem Formverlauf,
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6a und 6b sowie 7a und 7b jeweils eine perspektivische Seitenansicht bzw. eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Armgelenks,
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8a bis 8c eine perspektivische Seitenansicht bzw. eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Armgelenks mit angreifendem weiteren Armgelenk,
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9a und 9c eine perspektivische Seitenansicht bzw. zwei Seitenansichten, eine mit Teillängsschnitt gemäß dem Schnittverlauf H-H in 9b, einer weiteren Ausführungsform des Armgelenks mit angreifendem weiteren Armgelenk,
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9d eine Ausschnittvergrößerung IXd gemäß 9c sowie
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10a und 10b eine perspektivische Seitenansicht bzw. eine Seitenansicht eines als SCARA-Roboter ausgebildeten Roboters mit einem Roboterarm gemäß der ersten Ausführungsform.
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In den 1 bis 10 werden in verschiedenen Ansichten und Ausführungsformen ein Roboter R mit einem Roboterarm 1, der mindestens zwei verschwenkbar miteinander verbundene direkt angetriebene Armgelenke 21, 22 aufweist, und Einzeldarstellungen von verschiedenen Bauteilen bzw. Bauteilgruppen des Roboterarms 2 gezeigt. Die beiden Armgelenke 21, 22 sind um eine Schwenkachse s relativ zueinander verschwenkbar angeordnet. In 1 ist der Roboter R als sogenannter Knickarmroboter und in 10 als sogenannter SCARA-Roboter ausgebildet. Hierbei ist die erfindungsgemäße Kopplung der Armgelenke 21, 22, bei einer Zählweise von der Basis B zum freien Ende C des Roboterarms hin, bei dem Knickarmroboter ab der dritten Achse des Roboterarmes 1 und bei dem SCARA-Roboter ab der zweiten Achse des Roboterarmes 1 angewandt. In der Beschreibung sind sämtliche Begrifflichkeiten zur Beschreibung der Örtlichkeit wie oben, unten, vorn, hinten, rechts und links so gemeint, wie sie in der jeweiligen Figur selbst gezeigt ist, es sei denn, es ist eigens anders definiert.
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In den hier gezeigten Ausführungsformen weisen beiden Armgelenke 21, 22 ein Motorteil 3, ein Gelenkteil 4 und ein die beiden Bauteile 3, 4 beabstandendes Distanzteil 5 auf. Vorgesehen ist, dass ein Armgelenk 21 durch das andere Armgelenk 22 verschwenkt werden kann. Hierbei greift das andere Armgelenk 22 mit seinem Gelenkteil 4 an dem Distanzteil 5 des einen Armgelenks 21 an und ist unter Führung an demselben lageveränderlich, d.h. hier hin und her verschieblich, und an demselben festlegbar angeordnet. Hierbei ist das eine Armgelenk 21 gegenüber dem anderen Armgelenk 22 bezüglich einer Abfolgerichtung a von einer Basis B des Roboterarmes 1 zu dessen freiem Ende C hin hinter dem anderen Armgelenk 22 angeordnet.
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Das Distanzteil 5 weist zumindest einen Längsprofilabschnitt 51 auf, an dem das andere Armgelenk 22 hier über sein Gelenkteil 4 längsverschieblich angreift und an demselben in Längsrichtung l geführt ist. Der Längsprofilabschnitt 51 ist aus einem hier aus Kunststoff gefertigten Längsprofil abgelängt. Wie in den beiden Längsschnittprofilen gemäß 2b und 3b durch die mittig eingezeichnete Unterbrechung angedeutet, kann das Längsprofil ein nahezu beliebige Länge aufweisen, um beispielsweise entsprechende Entfernungen zu überbrücken.
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Allgemein weist der Roboterarm 1 einen modularen Aufbau auf, bei dem Motorteil 3, Gelenkteil 4 und Distanzteil 5, insbesondere Längsprofilabschnitt 51, sowie noch weitere weiter unten erläuterte Bauteile jeweils als Modul ausgebildet sind, wobei diese auf einfache Weise montiert und ausgetauscht werden können.
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Der Längsprofilabschnitt 51 weist hier einen quadratischen Querschnitt und ein Nutenprofil mit einer Längsnut 52 pro Seitenfläche 53 des Längsprofilabschnitts 51 auf. Hierbei kann das andere Armgelenk 22, abhängig beispielsweise von seiner gewünschten Anstellung relativ zu dem einen Armgelenk 21, über sein Gelenkteil 4 wahlweise in eine der Längsnuten 52 über einen in der Längsnuten 52 verschieblich geführten Mitnehmer 54 in Form von Nutensteinen an der Längsnut 52 geführt eingreifen. Dies ist deutlich in 4 gezeigt, wobei zur besseren Darstellung von dem anderen Armgelenks 22 lediglich sein Gelenkteil 4 wiedergegeben ist, mit dem es in 4 seitlich und gemäß 6 und 7 stirnseitig mit seiner Schwenkachse s an dem Längsprofilabschnitt 51 eingreift. In beiden Fällen ist die Schwenkachse s radial zur Längsrichtung l des Längsprofilabschnitts 51 angeordnet. In beiden Fällen erfolgt der Angriff des Gelenkteils 4 an einer der länglichen Seitenflächen 53 des Längsprofilabschnitts 51. Bei der Ausführungsform des Armgelenks 21, 22 weist das Gelenkteil gemäß 6 ein übliches Planetengetriebe und bei dem gemäß 7 ein übliches Harmonic-Drive Getriebe, bei denen die Drehachse d parallel zur Längsrichtung l angeordnet ist.
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Gemäß 4 ist in Verlängerung der Schwenkachse s eine Drehschiebe 41 zur Abstützung und Festlegung an dem einen Armgelenk 21 seitlich an dem Gelenkteil 4 des anderen Armgelenks 22 vorgesehen. Die Drehscheibe 41 erstreckt sich mit einem Stützvorsprung 42 mit einem hier L-förmiges Profil unter den Längsprofilabschnitt 51. Das Profil des Stützvorsprunges kann allgemein dem Außenprofil des Längsprofilabschnitts 51 angepasst ausgebildet sein. Der Stützvorsprung 42 weist entsprechend dem L-förmigen Profil eine nach oben weisende und nach vorn weisende Anlagefläche 43 zur Abstützung des Längsprofilabschnitts 51 auf. In 4b ist eine Seitenansicht gezeigt, wobei der Längsprofilabschnitt 51 im Bereich der Längsnuten 52 in Längsschnittansicht dargestellt ist. 4b ist deutlich entnehmbar, dass in der hier gezeigten Ausführungsformen des Roboterarms zwei Nutensteine mit Innengewinde als Mitnehmer 54 vorgesehen sind, in die jeweils ein durch die Anlagefläche 43 geführter Schraubbolzen 44 eingreift und hierüber eine Führungsverbindung zwischen der Drehscheibe 41 und dem Längsprofilabschnitt 51 herstellt. Zur Feststellung des anderen Armgelenks 52 an dem Distanzteil 5 an bestimmter Stelle über den Verfahrweg längs der Längsnuten 52 werden die Schraubbolzen 44 lediglich weiter angezogen und gegen den Nutengrund der Note 52 verspannt, wodurch der jeweilige Nutenstein 54 zugleich entgegen der Schraubrichtung innenseitig in der Längsnut 52 festgelegt wird. Hierzu weist die Längsnut 52 in bekannter Weise ein T-förmiges Innenprofil mit beidseitigen Hintergriffigkeiten auf.
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Infolge der Trennung von Motorteil 3 und Gelenkteil 4 durch das dazwischen gesetzte Distanzteil 5 ist eine Übertragung der Motorkraft von dem Motorteil 3 auf das Gelenkteil 4 notwendig. Hierzu werden Kraftübertragungsmittel 31 in den hier gezeigten Ausführungsformen des Roboterarms 1 in Form einer vollzylindrischen Momentübertragungswelle 33 eingesetzt, die in dem Distanzteil 5 geführt angeordnet sind. Hierzu ist ein Motorteil 3 und Gelenkteil 4 verbindender seitlich geschlossener Führungskanal 55 vorgesehen, durch den die Momentübertragungswelle 33 geführt angeordnet ist. Der Führungskanal 55 erstreckt sich bis in das Motorteil 3 bzw. bis in das Gelenkteil 4 hinein. Sämtliche den Führungskanal 55 aufweisende Bauteile 3, 4, 5 sind stirnseitig staubdicht miteinander verbunden. Damit ist die Momentübertragungswelle 33 gegen äußere Einflüsse vollkommen geschützt angeordnet.
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In diesem Führungskanal 55 oder in einem gesonderten hier nicht dargestellten Führungskanal können zusätzlich vorgesehene Leitungen, wie Steuer- und/oder Versorgungsleitungen geführt angeordnet sein.
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Hier nicht dargestellt, aber unmittelbar einsichtig ist eine Ausführungsform des Roboterarms, bei der zumindest das eine Armgelenk ein gebogenes, insbesondere kreisabschnittartig gebogenes Distanzteil aufweist, wobei die Kraftübertragung beispielsweise mittels einer biegsamen Momentübertragungswelle erfolgt.
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Wie insbesondere 3 entnehmbar, sind beidendseitig des Längsprofilabschnitts 51 Befestigungskappen 56 mit mittiger Durchgangsöffnung 57 für die Momentübertragungswelle 33 vorgesehen. Diese Befestigungskappen 56 greifen jeweils mit einem dem Nutenprofil angepassten Vorsprung 58 pro Längsnut 52 unter Abdeckung des Längsprofilabschnitts 51 in denselben, wobei sie zugleich als Begrenzung für den Verfahrweg des Mitnehmers 54 in der Längsnuten 52 dienen. Die Befestigungskappen 56 sind an den Vorsprüngen 58 jeweils mittels einer Schraubverbindung an dem Längsprofilabschnitt 51 festgelegt. Innerhalb der Befestigungskappen 56 ist jeweils e59 zur Lagerung der Momentübertragungswelle 33 vorgesehen. Konstruktiv ist die Befestigungskappe 56 Teil des Kupplungsteils 6. Die Befestigungskappe 56 legt in Einbaulage das Kupplungsteil 6 an dem Längsprofilabschnitt 51 fest.
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Wie insbesondere 4 entnehmbar, ist bei dieser Ausführungsform des Roboterarms 1 zwischen Motorteil 3 und Distanzteil 5 und zwischen Gelenkteil 4 und Distanzteil 5 jeweils ein Kupplungsteil 6 vorgesehen, das in 3b und 5b jeweils zusammen mit dem Längsprofilabschnitt 51 in einer Längsschnittdarstellung gezeigt ist. In dem Kupplungsteil 6 werden Schneckenwelle 32 und Momentübertragungswelle 33 aneinander gekoppelt. Hierbei ist beispielgebend die Kupplung des Kupplungsteils 6 als übliche Klauenkupplung 61 ausgebildet. Zudem ist den Längsschnittdarstellungen die Anordnung der Befestigungskappen 56 mit den Gleitlagerhülsen 59 zur Auflagerung und Führung der Momentübertragungswelle 33 deutlich entnehmbar.
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In dem Gelenkteil 4 wird das von der Momentübertragungswelle 33 auf die Schneckenwelle 32 übertragene Drehmoment auf ein Schneckenrad 321 übertragen, dessen Drehachse gleich der Schwenkachse s des Gelenkteils 4 ist.
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In 5 wird eine weitere Ausbildungsform des Roboterarms 1 mit einem Armgelenk 21, 22 gezeigt, bei dem das Distanzteil 5 einen abgewinkelten, hier rechtwinkligen Verlauf aufweist. Hierbei weist das Distanzteil 5 zwei Längsprofilabschnitte 51 auf, die über ein hier modulartig ausgebildetes Winkelteil 7 miteinander verbunden sind, welches seinerseits staubdicht mit den Längsprofilabschnitt 51 verbunden ist. Dies ist wegen der Verwendung der schmiermittelfreien Gleitlagerhülsen im Prinzip nicht notwendig hinsichtlich der Lagerung der Momentübertragungswelle 33. Es ist aber vorteilhaft bei der Verwendung des Roboterarms beispielsweise in einem Reinraum oder unter feuchter Atmosphäre. Zur Umlenkung des von der Schneckenwelle 32 übertragenen Motordrehmoments in dem in dem Winkelteil 7 ist die Momentübertragungswelle 33 in zwei in das Winkelteil 7 hineinragende Abschnitte 331 geteilt. Die Abschnitte 331 sind modulartig aufgebaut. Sie sind endseitig jeweils mit einem Kegelrad 34 versehen, wobei die dann beiden Kegelräder 34 in Einbaulage kämmend ineinandergreifen.
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Nicht eigens dargestellt, aber mit 5 aus der Vorstellung heraus leicht nachvollziehbar ist, dass das Armgelenk 21, 22 in einer weiteren Ausführungsform zwei oder mehr Längsprofilabschnitte 51 aufweist, zwischen denen zusätzlich jeweils ein Gelenkteil 4 angeordnet ist. Das Kraftübertragungsmittel 31 ist durch alle Längsprofilabschnitte 51 und Gelenkteile 4 geführt angeordnet und treibt gleichzeitig alle Gelenkteile 4 inklusive des endseitig vorgesehenen Gelenkteils 4 an. Hierzu kann die Schneckenwelle 32 beispielsweise jeweils in Höhe des jeweiligen Gelenkteils 4 einen Gewindeabschnitt 35 aufweisen, wie er in 2b und 5b gezeigt ist. Dies ist selbstverständlich auch bei Verwendung eines oben beschriebenen zwischengeschalteten Winkelteils 7 möglich.
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3a gibt zudem ein erweitertes Distanzmodul mit Distanzteil 5, Befestigungskappen 56 und einem Kupplungsteil 6 wieder, wie es praktischerweise in der Montage verwendet werden kann. Hierbei kann, entsprechend dem gewünschten Aufbau des Roboterarms, in Modulbauweise an dem Ende des Distanzteils mit Kupplungsteil ein Motorteil 3 oder Gelenkteil 4 festgelegt werden. Ferner kann an dem freien Ende des Längsprofilabschnitts 51 modulartig ein weiterer Längsprofilabschnitt 51, ein Winkelteil 7 oder ein weiteres Kupplungsteil 6 festgelegt werden. Die Festlegung des Kupplungsteils 6 erfolgt flanschartig mittels Verschraubung.
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Bei den Ausführungsformen des Roboterarmes gemäß den 1, 7 und 10 erfolgt die Verschiebung des anderen Armgelenks 22 an dem Längsprofilabschnitt 51 des einen Armgelenks 21 manuell ohne Antrieb, während die Verschiebung den Ausführungsformen des Roboterarmes gemäß 8 und 9 motorgetrieben hier mittels eines vom prinzipiellen Aufbau her an sich bekannten Linearantriebs 8 erfolgt.
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Zur 8 gewandt, so ist der Linearantrieb 8 als Modul ausgebildet, das in Höhe des Gelenkteils 4 des anderen Armgelenks 22 und diesem bezüglich des Längsprofilabschnitts 51 gegenüber liegend angeordnet ist. Der Linearantrieb 8 an sich entspricht seinem Aufbau nach einem üblichen Linearantrieb hier mit einem ein Ritzel 81 aufweisenden Antrieb 83, dessen Drehmoment über das Ritzel 81 auf eine lineare Zahnstange 82 übertragen wird. Die Drehachse d des Ritzel 81 ist senkrecht zur Längsrichtung l des Nutenprofils ausgerichtet, wobei das Ritzel 81 drehfest auf der Motordrehwelle 35 angeordnet ist. Die Zahnstange 82 ist in einer bestimmten Längsnut 52 des Längsprofilabschnitts 51 festgelegt. Die Zahnstange 82 ist seitlich in die Längsnut 52 eingeschoben angeordnet und wird endseitig durch die Befestigungskappen 56 in der Längsnut 52 verschiebungsfest gehalten. Das Ritzel 81 greift kämmend an der Zahnung 84 der Zahnstange 82 an. Hierzu steht die Zahnstange 82 mit ihrer Zahnung 84 nach außen über die Längsnut 52 vor.
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In Vereinfachung und Stabilisierung des Aufbaus ist zudem vorgesehen, dass die mit dem Gelenkteil 4 des anderen Armgelenks 22 verbundene Drehscheibe 41 den Längsprofilabschnitt 51 allseitig umgreift. Ferner, dass an diese Drehscheibe 41 zugleich der Linearantrieb 8 festgelegt ist. Insofern kann der Linearantrieb 8 eventuell zusammen mit der Drehscheibe 41 jedoch ohne Zahnstange 82 ein Montagemodul bilden.
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Da die Teile des Linearantrieb 8 mit Antrieb 83, inklusiv des Ritzels 81, sowie Zahnstange 82 lediglich an bereits vorhandene Bauteile, nämlich an Drehscheibe 41 bzw. Längsprofilabschnitt 51 angebaut werden, kann diese Form des Linearantrieb 8 unaufwändig nachgerüstet und ausgetauscht werden.
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In 9a–9c ist eine weitere Ausführungsform des Roboterarms 1 mit einer anderen Ausführungsform des Linearantriebs 8 dargestellt. Bei dem zuvor beschriebenen Linearantrieb 8 wird die Längsverschiebung des anderen Armgelenks 22 von demselben über Ritzel 81 und Zahnstange 82 auf den Längsprofilabschnitt 51 bewirkt. In der nachfolgenden Ausführungsform des Linearantriebes 8 gemäß 9 wirkt der Linearantrieb 8 von dem einen Armgelenk 21 auf das Distanzteil 5 dieses Armgelenks 21. In dieser Ausführungsform weist der Linearantrieb 8 ein Rotationsteil, hier in Form einer Drehspindel 85 auf. Als Linearteil dient hier der drehfest und verschieblich in einer Längsnut 52 des Längsprofilabschnitts 51 geführte Mitnehmer 54 für die Führung des zweiten Gelenkteils 22 an dem Längsprofilabschnitt 51. Das Motordrehmoment wird über den Eingriff der Drehspindel 84 mit ihrem Außengewinde in ein beim Mitnehmer vorgesehenes Innengewinde und Mitnehmer 54 in eine Linearbewegung in Längsrichtung l des Längsprofilabschnitts 51 umgewandelt wird.
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Um der Gefahr eines möglichen Verkippens oder Verkantens des Mitnehmers 54 in der Längsnut 52 zu begegnen, weist der Mitnehmer 54 eine im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Nutensteinen gemäß 4b größere Längserstreckung auf. Wie deutlich der Ausschnittvergrößerung gemäß 9d entnehmbar, ragt der Mitnehmer 54 zudem unterseitig über den Längsprofilabschnitts 51 hinaus und ist mittels einer Schraubverbindung an der Drehscheibe 41 des Gelenkteils 4 des anderen Armgelenks 22 festgelegt. Hierzu ragt der Mitnehmer 54 in eine an der Drehscheibe 41 vorgesehene Ausnehmung 45 so formschlüssig hinein, dass er verdrehfest in derselben anliegt. Dadurch wird der Mitnehmer 54 kraftmechanisch günstig unmittelbar mit der Drehung der Drehscheibe zusammen mit dem einen Armgelenk 21 kippsicher verdreht. Ferner sind die Enden des Mitnehmers 54 gerundet ausgebildet.
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Wie aus den im Vergleich zu 4b vergrößerten Abmessungen des Motorteil 3 ersichtlich, ist der Antrieb 83 in dem Motorteil 3 des einen Armgelenks 21 untergebracht. Die Drehspindel 85 erstreckt sich aus dem Motorteil 3 durch das Kupplungsteil 6 in die vorgesehene Längsnut 52 des Längsprofilabschnitts 51 hinein, durchgreift den Mitnehmer 54 unter Gewindeeingriff und erstreckt sich weiter bis zum Ende der Längsnut 52.
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Zum Zusammenbau kann das Gelenkteil 4 des anderen Armgelenks 22 mit dem Mitnehmer 54 in eine mittige Position auf den Längsprofilabschnitt 51 aufgeschoben. Anschließend kann die Drehspindel 85 bei zu dieser Position in die Längsnut 52 eingeschoben und unter weiterem Einschub in die Längsnut 52 in den Mitnehmer 54 eingedreht werden.
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Wie unmittelbar den 1 und 10 entnehmbar, sind die Schwenkachsen s beim SCARA-Roboter senkrecht und die beim Knickarmroboter, bis auf die für eine Grunddrehung an der Basis B, waagerecht angeordnet. Die vorgeschlagene Modulbauweise erlaubt weiter, dass das Distanzteil 5 hier aus zwei parallelen Längsprofilabschnitten 51 aufgebaut wird, wodurch eine weitere Stabilisierung des Roboterarms 1 erzielt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboterarm
- 21
- Armgelenk
- 22
- Armgelenk
- 3
- Motorteil
- 31
- Kraftübertragungsmittel
- 32
- Schneckenwelle
- 321
- Schneckenrad
- 33
- Momentübertragungswelle
- 331
- Abschnitt
- 34
- Kegelrad
- 35
- Gewindeabschnitt
- 36
- Motordrehwelle
- 4
- Gelenkteil
- 41
- Drehscheibe
- 42
- Stützvorsprung
- 43
- Anlagefläche
- 44
- Schraubbolzen
- 45
- Ausnehmung
- 5
- Distanzteil
- 51
- Längsprofilabschnitt
- 52
- Längsnut
- 53
- Seitenflächen
- 54
- Mitnehmer
- 55
- Führungskanal
- 56
- Befestigungskappe
- 57
- Durchgangsöffnung
- 58
- Vorsprung
- 59
- Gleitlagerhülse
- 6
- Kupplungsteil
- 61
- Klauenkupplung
- 7
- Winkelteil
- 8
- Linearantrieb
- 81
- Ritzel
- 82
- Zahnstange
- 83
- Antrieb
- 84
- Zahnung
- 85
- Drehspindel
- B
- Basis
- C
- freies Ende
- a
- Abfolgerichtung
- d
- Drehachse
- l
- Längsrichtung
- s
- Schwenkachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202014101342 U [0002]
- DE 102010013617 B4 [0002]
