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Die Erfindung betrifft einen Betätigungsarm für eine Handhabungsvorrichtung mit
- a) einem ersten Armteil;
- b) einem zweiten Armteil;
- c) einem Gelenk, welches das erste mit dem zweiten Armteil verbindet;
- d) einer Antriebseinrichtung für das Gelenk, welche in der Lage ist, das eine Armteil gegenüber dem anderen Armteil zu verschwenken.
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Wenn vorliegend von ”Betätigung” die Rede ist, so sind hiermit alle Vorgänge gemeint, die mit Hilfe des Armes einer Handhabungsvorrichtung ausgeführt werden können. Beispielsweise ist es möglich, mit Hilfe des Betätigungsarmes bestimmte Gegenstände zu bewegen oder mit Hilfe eines am Ende des Betätigungsarmes angebrachten Behandlungsgeräts einen Gegenstand zu behandeln. Unter ”Behandeln” werden wiederum alle Vorgänge verstanden, mit denen auf einen Gegenstand eingewirkt werden kann, sei dies mit oder ohne Berührung. Beispiele für Behandlungen sind etwa Beschichten, insbesondere Lackieren, Reinigen und Polieren.
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Betätigungsarme der eingangs genannten Art sind als Arme von Robotern in unterschiedlichster Ausgestaltung bekannt. Bei diesen sind benachbarte Armteile jeweils nur um eine Achse verschwenkbar, da das entsprechende Gelenk weitere Freiheitsgrade nicht zulässt. Diese Betätigungsarme sind in ihrer inneren Beweglichkeit und damit auch in ihren Einsatzmöglichkeiten beschränkt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Betätigungsarm der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass er in sich beweglicher und vielseitiger einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
- c) das Gelenk umfasst:
- ca) ein Zwischenteil, welches mit dem ersten Armteil um eine erste Achse verschwenkbar verbunden ist und mit dem das zweite Armteil um eine zweite Achse, die senkrecht auf der ersten Achse steht, schwenkbar verbunden ist;
- cb) eine erste Antriebseinrichtung, welche in der Lage ist, das Zwischenteil gegenüber dem ersten Armteil um die erste Achse zu verschwenken;
- cc) eine zweite Antriebseinrichtung, welche in der Lage ist, das zweite Armteil gegenüber dem Zwischenteil um die zweite Achse zu verschwenken.
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Das erfindungsgemäß vorgesehene Gelenk zwischen den beiden benachbarten Armteilen erfüllt die Aufgabe eines Kugelgelenks, wobei jedoch Antriebseinrichtungen integriert sind, welche, ähnlich den Bewegungen eines kardanischen Gelenk, Verschwenkungen der beiden Armteile gegenüber einander um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen aktiv bewirken können. Durch Überlagerung beider Arten von Schwenkbewegungen können innerhalb gewisser Grenzen beliebige Winkel zwischen den beiden Armteilen aktiv eingestellt werden. Der so gestaltete Betätigungsarm kann sich beispielsweise in sich selbst ”verwinden”, ist also in sich außerdordentlich beweglich und kann beispielsweise ein Behandlungsgerät, das an seinem freien Ende angebracht ist, auf nahezu beliebigen Trajektorien führen, die auch in komplizierterer Weise um einen zu behandelnden Gegenstand herumführen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Betätigungsarmes sind in den Ansprüchen 2 bis 12 angegeben. Welcher dieser Ausführungsformen jeweils der Vorzug gegeben wird, entscheidet sich im Einzelfall aufgrund der gegebenen Umstände, unter denen der Betätigungsarm eingesetzt werden soll.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
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1 perspektivisch einen Ausschnitt aus einem Arm mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines Kugelgelenks;
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2 eine Seitenansicht zur 1;
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3 eine weitere Seitenansicht zu 1;
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4 perspektivisch einen Ausschnitt aus einem Arm mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Gelenks;
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5 den Armausschnitt der 4 in anderer Perspektive;
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6 perspektivisch einen Ausschnitt aus einem Arm mit einem dritten Ausführungsbeispiel eines Gelenks;
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7 den Armausschnitt der 6 in anderer Perspektive;
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8 perspektivisch einen Ausschnitt aus einem Arm mit einem vierten Ausführungsbeispiel eines Gelenks;
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9 den Armausschnitt der 8 in anderer Perspektive;
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Zunächst wird auf die 1 bis 3 Bezug genommen, anhand deren die Grundprinzipien eines erfindungsgemäßen Betätigungsarmes mit angetriebenem Gelenk besonders leicht erklärbar sind. Zu erkennen in den 1 bis 3 ist ein Arm, der insgesamt das Bezugszeichen 15 trägt und beispielsweise als Ausschnitt aus einem Robotorarm gedacht werden kann. Der Arm 15 umfasst ein unteres Armteil 15a sowie ein oberes Armteil 15b, die über ein Gelenk 14 miteinander verbunden sind. Wenn vorliegend von ”oben” und ”unten” gesprochen wird, so sind hierunter nur die Verhältnisse in der Zeichnung gemeint. Die tatsächliche Lage im praktischen Einsatz kann natürlich anders sein.
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Das Gelenk 14 hat die Funktion eines Kugelgelenks. Dies bedeutet, dass die Armteile 15a, 15b innerhalb gewisser bauartbedingter Grenzen in allen Winkeln zueinander verschwenkt werden können; die möglichen Schwenkbewegungen lassen sich als Überlagerung aus Verschwenkungen um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen verstehen. Das Gelenk 14 ist darüber hinaus in dem Sinn ”angetrieben”, dass die Verschwenkungen der beiden Armteile 15a, 15b gegeneinander durch Antriebselemente bewirkt werden können, die auf engstem Raum im Bereich des Gelenks 14 selbst angeordnet sind.
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Der genaue Aufbau des Gelenks 14 ist wie folgt: An das obere Ende des unteren Armteils 15a ist eine Gabel 22 angeformt, die symmetrisch zur Mittelebene des unteren Armteils 15a insgesamt vier in der Seitenansicht kreisbogenförmige, paarweise parallel zueinander verlaufende, plattenförmige Gabelelemente 22a bis 22d umfasst. Zwischen den gegenüberliegenden Gabelelementen 22a, 22b bzw. 22c, 22d sind in Winkelabständen zueinander insgesamt vier Rollen 23a bis 23d gelagert. Eine dieser Rollen 23, nämlich die Rolle 23a, ist durch einen Elektromotor 24 angetrieben. Außerdem sind in den oberen Endbereichen der Gabel 22 jeweils über Winkel 25 insgesamt vier Führungsrollen 26 in jeweils zwei Paaren gelagert, deren Funktion weiter unten deutlich wird und deren Achsen senkrecht zu den Achsen der benachbarten Rollen 23 stehen.
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Ein Zwischenteil, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 27 versehen ist, umfasst ein plattenförmiges Antriebsteil 28 mit einer Antriebsfläche 29, die in der Seitenansicht kreisbogenförmig ist. Tatsächlich erstreckt sich die Antriebsfläche 29 über einen nahezu vollständigen Kreis und ist nur durch einen Schlitz 30 unterbrochen, dessen Funktion weiter unten beschrieben wird. Die Antriebsfläche 29 liegt an den vier Rollen 23a bis 23d reibschlüssig an. Erkennbar kann also das Zwischenteil 27 durch Betätigung des Motors 24 und die Wirkung der angetriebenen Rolle 23a um eine Achse verdreht werden, die senkrecht auf der durch die vier Rollen 23a bis 23d aufgespannten Ebene steht und deren Lage innerhalb der Ebene durch die Position dieser Rollen 23a bis 23b definiert ist. Die Führungsrollen 26 liegen an den gegenüberliegenden Seitenflächen des Antriebsteiles 28 an und führen dieses entsprechend ihrer Bezeichnung.
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Das Zwischenteil 27 umfasst neben dem Antriebsteil 28, mit diesem starr oder gar einstückig verbunden, eine weitere Gabel 31, die ähnlich wie die Gabel 22 kreisbogenförmige, sich paarweise gegenüberliegende Gabelelemente 31a bis 31d aufweist. Zwischen den Gabelelementen 31a bis 31d sind wiederum Rollen 32a bis 32d in Winkelabständen zueinander gelagert, wobei in diesem Falle die Rolle 32d durch einen Elektromotor 33 angetrieben ist. Auch an der Gabel 31 sind über Winkel 34 insgesamt vier Führungsrollen 60 gelagert, die sich jeweils paarweise gegenüberstehen und deren Achsen jeweils senkrecht auf den Achsen der benachbarten Rollen 32 stehen. Der Sinn dieser Führungsrollen 60 wird weiter unten deutlich.
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An das untere Ende des oberen Armteiles 15b ist eine Antriebsplatte 35 angeformt, die mit einer kreisbogenförmigen Antriebsfläche 36 versehen ist. Das untere Ende des oberen Armteiles 15b mit der Antriebsplatte 35 ist so in den Schlitz 30 des Zwischenteils 27 eingeführt, dass die Antriebsfläche 36 der Antriebsplatte 35 reibungsschlüssig an den Rollen 32a bis 32d anliegt. Gleichzeitig berühren die Führungsrollen 60 die gegenüberliegenden Seitenflächen der Antriebsplatte 35. Es ist ersichtlich, dass durch Betätigung des Elektromotors 33 über die angetriebene Rolle 32d das obere Armteil 15b um eine Achse verschwenkt werden kann, die senkrecht auf der durch die vier Rollen 32a bis 32d aufgespannten Ebene steht und deren Position in dieser Ebene durch die Anordnung der Rollen 32a bis 32d definiert ist.
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Insgesamt ist also das obere Armteil 15b mittels des beschriebenen Gelenkes 14 um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen gegenüber dem unteren Armteil 15a verschwenkbar und ist somit in der Lage, die Funktion eines angetriebenen Kugelgelenks auszuüben.
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In den 4 und 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines angetriebenen Gelenkes dargestellt, welches dem oben anhand der 1 und 2 beschriebenen ähnlich ist. Entsprechende Teile sind daher dort mit demselben Bezugszeichen zuzüglich 100 gekennzeichnet.
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Auch der in den 4 und 5 dargestellte Arm 115 umfasst ein unteres Armteil 115a und ein oberes Armteil 115b, die durch ein Gelenk 114 um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen verschwenkbar verbunden sind.
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Am oberen Ende des unteren Armteils 115a befindet sich, starr verbunden oder einstückig, eine Gabel 122. In den oberen Endbereichen der beiden Gabelarme 122a, 122b ist mittels Gelenkzapfen 137 ein Zwischenteil 127 verschwenkbar gelagert. Das Zwischenteil 127 seinerseits weist ähnlich wie das Zwischenteil 27 der 1 und 2 ein in der Seitenansicht durch einen nahezu geschlossenen Kreis begrenztes Antriebsteil 128 mit einer kreisbogenförmigen Antriebsfläche 129 auf. Die Antriebsfläche 129 ist wiederum durch einen Schlitz 130 unterbrochen. Auf Abflachungen 129a, 129b der Antriebsfläche 129 sind die gegenüberliegenden Enden eines Antriebsriemens 138 befestigt. Der Antriebsriemen 138 ist um eine Antriebsrolle 139 geführt, die von einem an dem Schenkel 122a der Gabel 122 befestigten Elektromotor 124 angetrieben ist. Der Antriebsriemen 138 ist in geeigneter Weise gespannt, beispielsweise durch geeignete Positionierung des Elektromotors 124.
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Das Zwischenteil 127 besitzt ein kastenartiges, nach oben und unten offenes Teil 131, welches in gewisser Weise der Gabel 31 der 1 und 2 entspricht. Die gegenüberliegenden Stirnflächen 131a, 131b dieses kastenartigen Teils 131 sind mittels der Gelenkzapfen 137 verschwenkbar an den Schenkeln 122a, 122b der Gabel 122 befestigt.
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Die oben beschriebene Bauweise ist also so, dass durch Bestromung des Elektromotors 124 über die angetriebene Rolle 139 und aufgrund des Antriebsriemens 138 das Zwischenteil 127 um die Achse verschwenkt werden kann, die durch die beiden Gelenkzapfen 137 vorgegeben ist.
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Am unteren Ende des oberen Armteiles 115b sind in diesem Falle zwei parallele, in der Seitenansicht einen nahezu geschlossenen Kreis bildende Platten 135a, 135b angeformt, von denen im dargestellten Ausführungsbeispiel nur eine, nämlich diejenige mit dem Bezugszeichen 135b, als Antriebsplatte verwendet wird. Auf deren kreisbogenförmiger Antriebsfläche 136 sind in der Nähe des unteren Endes des oberen Armteils 115b die beiden Enden eines Antriebsriemens 140 befestigt. Dieser Antriebsriemen 140 ist um eine Antriebsrolle geschlungen, welche in der Zeichnung nicht erkennbar, da durch die Seitenwände des kastenartigen Teils 131 verdeckt, ist. Dieses Antriebsrad wird durch einen Elektromotor 133 angetrieben. Der Antriebsriemen 140 ist in geeigneter Weise gespannt, beispielsweise durch entsprechende Positionierung des Elektromotors 133.
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Die die unteren Enden des oberen Armteils 115b bildenden Platten 135a, 135b sind durch Gelenkzapfen 141 (vgl. 5) an den gegenüberliegenden Seitenwänden des kastenartigen Teils 131 verschwenkbar gelagert, wobei die durch die beiden Gelenkzapfen 141 definierte Achse senkrecht auf der durch die beiden Gelenkzapfen 137 definierten Achse steht.
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Die Anordnung ist offensichtlich so, dass durch Betätigung des Elektromotors 133 über das nicht dargestellte Antriebsrad und mit Hilfe des Antriebsriemens 140 das obere Armteil 115b um die durch die Schwenkzapfen 141 definierte Achse verschwenkt werden kann.
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Insgesamt erfüllt also auch das in den 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Gelenks 114 diejenige eines angetriebenen Kugelgelenks.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das demjenigen der 4 und 5 weitgehend entspricht, ist in den 6 und 7 dargestellt. Entsprechende Teile erhalten dasselbe, jedoch erneut um 100 erhöhte Bezugszeichen wie in den 4 und 5.
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Wiederzuerkennen sind das untere Armteil 215 mit der daran starr befestigten Gabel 222, das kastenförmige Zwischenteil 227, das mittels Gelenkzapfen 237 an den Schenkeln 222a, 222b der Gabel 222 verschwenkbar angelenkt ist, das obere Armteil 215b mit den das untere Ende bildenden, parallelen in der Seitenansicht nahezu kreisförmigen Platten 235a, 235b, das mittels Gelenkzapfen 242 an dem Zwischenteil 227 verschwenkbar befestigt ist.
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Das Antriebsteil 228 des Zwischenteils 227 ist beim Ausführungsbeispiel der 6 und 7 an der Außenseite des kastenartigen Teils 231, fest mit diesem verbunden, angebracht. Die kreisbogenförmige Antriebsfläche 229 trägt eine Aussenverzahnung 242, die mit einem in dem Schenkel 222a der Gabel 222 gelagerten Ritzel 243 kämmt. Das Ritzel 243 wird von dem Elektromotor 224 angetrieben. Aufgrund der Bauweise ist es also möglich, durch Betätigung des Elektromotors 224 über das Ritzel 243 und die Aussenverzahnung 242 das gesamte Zwischenteil 227 um die Achse zu verdrehen, die durch die Gelenkzapfen 237 definiert ist.
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An der Außenfläche der Platte 235b am unteren Ende des oberen Armteils 215b ist eine in der Seitenansicht kreisrunde Antriebsplatte 244 drehschlüssig angebracht, die ihrerseits eine Außenverzahnung 245 trägt. Diese Außenverzahnung 245 kämmt mit einem Ritzel 246, das in einer Seitenwand des kastenartigen Teils 231 des Zwischenteils 227 gelagert ist und durch einen Elektromotor 233 angetrieben ist. Durch Betätigung des Elektromotors 233 kann somit über das Ritzel 246 die Antriebsplatte 244 und damit das gesamte obere Armteil 215b um die Achse verschwenkt werden, die durch die Gelenkzapfen 241 definiert ist und senkrecht zu derjenigen Achse steht, die durch die Gelenkzapfen 237 vorgegeben ist.
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Insgesamt lässt sich also auch durch das Gelenk 214 die Funktion eines angetriebenen Kugelgelenks erzielen.
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In den 8 und 9 ist schließlich ein letztes Ausführungsbeispiel eines angetriebenen Gelenks 314 dargestellt, das demjenigen der 6 und 7 außerordentlich ähnlich ist. Erneut werden daher entsprechende Teile mit demselben Bezugszeichen, gegenüber den 6 und 7 jedoch erneut um 100 erhöht, gekennzeichnet. Es genügt, nachfolgend die Unterschiede zwischen dem Ausführungsbeispiel der 8 und 9 und demjenigen der 6 und 7 zu beschreiben.
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Beim Ausführungsbeispiel der 8 und 9 ist das Antriebsteil 328, welches an dem kastenartigen Teil 331 des Zwischenteils 327 starr befestigt ist, etwas größer ausgebildet und trägt keine Außenverzahnung. Stattdessen ist das Antriebsteil 328 mit einem kreisbogenförmigen Schlitz 347 versehen, dessen radial außenliegende Begrenzungsfläche eine Verzahnung 348 aufweist. Diese Verzahnung 348 ist es, die mit einem von dem Elektromotor 324 angetriebenen Ritzel 343 kämmt.
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In entsprechender Weise ist eine der beiden Platten 335a, 335b am unteren Ende des oberen Armteils 315b dadurch als Antriebsplatte 335b ausgebildet, dass sie einen kreisbogenförmigen Schlitz 350 aufweist, der an seiner radial außenliegenden Begrenzungsfläche eine Verzahnung 351 aufweist. Diese Verzahnung 351 kämmt mit einem von einem Elektromotor 333 angetriebenen Ritzel, das in den 8 und 9 nicht erkennbar ist.
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Die Verzahnungen 348 und 351 werden hier aufgrund ihrer Lage innerhalb des Teils, in dem sie sich befinden, als Innenverzahnungen” bezeichnet.
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Durch Bestromung der Elektromotoren 324 und 333 lässt sich somit das obere Armteil 315b gegenüber dem unteren Armteil 315a um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen verschwenken, die einerseits durch die Gelenkzapfen 337 und andererseits die Gelenkzapfen 341 definiert sind.
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Selbstverständlich wäre es auch möglich, nicht die radial außen liegenden sondern die radial innenliegenden Begrenzungsflächen der Schlitze 347 bzw. 350 mit den entsprechenden Verzahnungen zu versehen.
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Ebenfalls möglich wäre es, die verschiedenen Antriebsarten, die oben anhand der 1 bis 9 beschrieben wurden, auch zu ”mischen”, also beispielsweise eine Außenverzahnung mit einer Innenverzahnung oder einen Riemen mit einer Verzahnung oder auch eine angetriebene, auf einer Fläche eines Antriebsteils abrollende Antriebsrolle mit Riemen oder Verzahnungen nach Bedarf zu kombinieren.
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Statt Riemen können auch andere flexible Antriebsmittel, z. B. Zahnriemen, Ketten oder Seile, zur Anwendung kommen.