WO2025026486A1

WO2025026486A1 - Antriebsvorrichtung für einen roboter sowie roboter mit einer solchen antriebsvorrichtung

Info

Publication number: WO2025026486A1
Application number: PCT/DE2024/100594
Authority: WO
Inventors: Jochen Damerau
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-08-02
Filing date: 2024-07-03
Publication date: 2025-02-06
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: DE102023120475B4; DE102023120475A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung (2) für einen Roboter (1), umfassend einen Schneckentrieb (3), aufweisend eine drehantreibbare Schneckenwelle (4) und ein damit in Zahneingriff stehendes Schneckenrad (10), wobei die Schneckenwelle (4) durch ein wenigstens eine Axialkraft übertragendes Lagerelement (5) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement (5) zumindest mittelbar an einer Axialkraft-Messeinrichtung (6) axial abgestützt ist, wobei die Axialkraft-Messeinrichtung (6) dazu eingerichtet ist, eine Axialkraft zu erfassen, wenn über das Schneckenrad (5) ein Drehmoment auf die Schneckenwelle (4) übertragen wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Roboter (1), umfassend eine solche Antriebsvorrichtung (2).

Description

Antriebsvorrichtunq für einen Roboter sowie Roboter mit einer solchen Antriebsvorrichtunq

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für einen Roboter. Ferner betrifft die Erfindung einen Roboter mit einer solchen Antriebsvorrichtung.

Aus der DE 10 2017 215 941 A1 geht eine Antriebseinheit hervor, mit einem Schneckengetriebe, das eine durch einen elektrischen Antriebsmotor zu einer Antriebs- Drehbewegung um ihre Längsachse antreibbare Schnecke und ein mit der Schnecke kämmendes, durch die Schnecke zu einer Abtriebs-Drehbewegung um seine Längsachse antreibbares Schneckenrad aufweist. Das Schneckenrad ist drehfest mit einer Abtriebswelle verbindbar oder verbunden. Die Schnecke ist quer zu ihrer Längsachse relativ zu dem Schneckenrad beweglich und ist durch eine über Federmittel verfügende Vorspanneinrichtung mit der Verzahnung des in einem Getriebegehäuse drehbar gelagerten Schneckenrades selbstnachstellend verspannt. Die Schnecke ist um ihre Längsachse verdrehbar in einem Schneckenträger gelagert, der bezüglich des Getriebegehäuses um eine zur Längsachse der Schnecke beabstandete und parallele Schneckenträger-Schwenkachse verschwenkbar ist, sodass mit einer Schwenkbewegung des Schneckenträgers um die Schneckenträger-Schwenkachse eine Nachstell- Schwenkbewegung der Schnecke mit bezüglich des Schneckenrades konstanter räumlicher Ausrichtung einhergeht. Die Federmittel üben bezüglich der Schneckenträ- ger-Schwenkachse ein Drehmoment auf den Schneckenträger aus.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung für einen Roboter bereitzustellen, die eine Kraft-Drehmoment-Messung in einfacher Weise ermöglicht. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 sowie durch den Gegenstand von Patentanspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.

Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für einen Roboter umfasst einen Schneckentrieb, aufweisend eine drehantreibbare Schneckenwelle und ein damit in Zahneingriff stehendes Schneckenrad, wobei die Schneckenwelle durch ein wenigstens eine Axialkraft übertragendes Lagerelement gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement zumindest mittelbar an einer Axialkraft-Messeinrichtung axial abgestützt ist, wobei die Axialkraft- Messeinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Axialkraft zu erfassen, wenn über das Schneckenrad ein Drehmoment auf die Schneckenwelle übertragen wird.

Die Antriebsvorrichtung bildet einen Aktuator, der, wenn er beispielsweise in einem Robotergelenk eingesetzt wird, eine Drehbewegung beziehungsweise ein Drehmoment zwischen zwei miteinander gelenkig gekoppelten Roboterarmsegmenten zu erzeugen. Der Schneckentrieb ist im Kraftfluss zwischen einer Antriebseinheit und einem Abtriebsbauteil der Antriebsvorrichtung, insbesondere einer mit dem Schneckenrad wirkverbundenen Welle, wirksam angeordnet. Die Schneckenwelle kann rechts- und linkssteigend sowie ein- und mehrgängig ausgeführt sein und steht mit einer Außenverzahnung des Schneckenrades in Zahneingriff.

Wenn ein Drehmoment von der Abtriebsseite, also über das Schneckenrad, auf den Schneckentrieb einwirkt, drückt das Schneckenrad die Schnecke in axialer Richtung. Das Schneckenrad erzeugt infolge des wirkenden Drehmoments anders gesagt eine auf die Schneckenwelle wirkende Axialkraft. Das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement, sei es ein reines Axiallager oder ein Lager, welches Radial- und Axialkräfte aufnimmt bzw. überträgt, überträgt diese Axialkraft zumindest mittelbar auf die Axialkraft-Messeinrichtung, die insbesondere als Axialkraftsensor ausgebildet ist. Die erfasste Axialkraft kann in ein am Roboterarmgelenk wirkendes Drehmoment umgerechnet werden. Dies ist als Kraft-Drehmoment-Messung zu verstehen. Die Axialkraft-Messeinrichtung ist dabei im Vergleich zu herkömmlichen Drehmoment- Messeinrichtungen, insbesondere Drehmomentsensoren, deutlich einfacher aufgebaut und ist somit besonders kostengünstig herstellbar.

Bei kollaborativen Robotern (auch „Cobots“ genannt) werden dabei neben niedrigen Herstellungskosten aufgrund der einfachen Bauweise der Antriebsvorrichtung eine hohe Präzision, eine hohe Steifigkeit, eine aufgrund der hohen Drehmoment- und Leistungsdichte leichte und kompakte Bauweise, eine lange Lebensdauer, ein geringer Wartungsaufwand, eine gute Regelbarkeit, eine genaue Drehmomenterfassung sowie gute akustische sowie Vibrationseigenschaften realisiert. Der Schneckentrieb kann als Untersetzungsstufe wesentlich einfacher gestaltet werden als ebenfalls in Cobots eingesetzten Wellgetrieben. Cobots sind industrielle Roboter bzw. Industrieroboter, die mit Menschen gemeinsam arbeiten und im Produktionsprozess nicht durch Schutzeinrichtungen von diesen getrennt sein müssen.

Die Vorteile eines Schneckengetriebes bestehen unter anderem in den hohen realisierbaren Übersetzungsverhältnissen, insbesondere von bis zu 80. Zudem können die antriebs- und abtriebsseitigen Bauteile der Antriebsvorrichtung kostengünstig hergestellt werden, insbesondere durch Walzen und andere Verfahren. Außerdem ist ein hoher Wirkungsgrad von mehr als 90% realisierbar. Außerdem kann das Schneckengetriebe spielarm, das heißt mit einer höheren kinematischen Genauigkeit, hergestellt werden, beispielsweise durch genauere Herstellung von konischen, spiralförmigen Oberflächen der in Eingriff stehenden Schneckentriebbauteile. Es hat sich gezeigt, dass bei Schneckengetrieben mit einer lokal axial anpassungsfähigen Schneckenwelle sowie mit einem Schneckenrad mit verformbarem Rand eine deutliche Reduzierung des Spiels erreichbar ist.

Der Schneckentrieb ist bevorzugt selbsthemmend ausgebildet, so dass nicht zwingend eine Bremsvorrichtung zum Halten einer bestimmten relativen Position von verbundenen Roboterarmsegmenten erforderlich ist. Selbsthemmend ist ein Getriebe dann, wenn die Drehmomentübertragung nur in eine Richtung stattfinden kann. Bevorzugt lässt sich der Schneckentrieb nur über den Getriebeeingang, also über die Schneckenwelle, in Bewegung versetzen. Über den Getriebeausgang, also über das Schneckenrad, lässt sich der Schneckentrieb bevorzugt nicht bewegen. Dadurch sind der An- und Abtrieb fest vorgegeben.

Die Schneckenwelle ist eingangsseitig durch eine Antriebseinheit drehantreibbar. Dabei kann die Schneckenwelle einteilig mit einer Antriebswelle der Antriebseinheit verbunden sein. Zwischen der Schneckenwelle und der Antriebswelle können weitere Bauteile oder Stufen im Leistungsfluss angeordnet sein. Alternativ können die Schneckenwelle und die Antriebswelle separate Bauteile sein, die spätestens bei Montage der Antriebsvorrichtung zumindest mittelbar drehfest miteinander verbunden werden. Die Antriebseinheit mit der Antriebswelle sind koaxial zur Schneckenwelle angeordnet. Die Antriebseinheit ist vorzugsweise ein Elektromotor, insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor. In diesem Sinn ist die Schneckenwelle durch einen bürstenlosen

Gleichstrommotor drehantreibbar.

Ein bürstenloser Gleichstrommotor (im Englischen: „Brushless DC Motor“) wird mit Gleichstrom aus einem Energiespeicher, insbesondere einer Batterie oder einem Akku, gespeist, der mittels entsprechender Steuerelektronik den Gleichstrom in passenden Drehstrom umwandelt, um mit Erregung von Permanentmagneten als Drehstrom- Synchronmaschine betrieben zu werden. Die üblicherweise dreisträngige Drehstromwicklung des Gleichstrommotors wird durch eine geeignete Schaltung so angesteuert, dass sie ein wanderndes magnetisches Feld erzeugt, welches den permanenterregten Rotor sozusagen „mitzieht“.

Dadurch, dass das antreibende Element, also die Schneckenwelle, und das angetriebene Element, also das Schneckenrad, nicht koaxial zueinander angeordnet sind, wird keine Hohlwelle benötigt, die durch die Antriebseinheit und/oder schnell drehende Teile verläuft. Mithin ermöglicht der Achsversatz zwischen dem treibenden und angetriebenen Element eine einfachere Verkabelung und Führung von Kabeln und Leitungen.

Das Gelenkdrehmoment wird mit der Axialkraft-Messeinrichtung an der Schneckenwelle, die das Antriebselement des Schneckentriebs bildet, erfasst beziehungsweise gemessen. Eine Axialkraft-Messeinrichtung im Sinn der Erfindung ist in der Regel kostengünstiger als herkömmliche Drehmomentsensoren und kann in einfacher Weise an einem nicht rotierenden Teil im Leistungsfluss angeordnet oder daran abgestützt sein, wobei eine auf die Axialkraft-Messeinrichtung wirkende Axialkraft durch geeignete Mittel in ein wirkendes Drehmoment, insbesondere ein Gelenkdrehmoment, umrechenbar ist.

Das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lager ist dazu ausgebildet, eine Axialkraft, also eine in Betätigungsrichtung oder entgegen der Betätigungsrichtung wirkende Kraft von der Schneckenwelle zumindest mittelbar auf die Axialkraft- Messeinrichtung zu übertragen. „Zumindest mittelbar“ bedeutet, dass zwei Bauteile, hier beispielsweise die Schneckenwelle und die Axialkraft-Messeinrichtung, über mindestens ein weiteres Bauteil, das zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist, mit- einander (wirk-)verbunden oder direkt und somit unmittelbar miteinander verbunden sein können.

Vorzugsweise ist das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement als Wälzlager, insbesondere Kugellager, oder als Gleitlager ausgebildet. Diese Lagertypen gewährleisten einerseits die Übertragung der Axialkraft von der Schneckenwelle auf die Axialkraft-Messeinrichtung und ermöglichen andererseits eine Drehung der Schneckenwelle um dessen Rotationsachse, insbesondere relativ zu der Axialkraft- Messeinrichtung. Unter einem Wälzlager ist ein Lagerelement zu verstehen, das Wälzkörper zur Verringerung eines Reibungswiderstandes aufweist. In dem Fall, dass das Lagerelement als Wälzlager ausgebildet ist, ergibt sich der Vorteil, dass die Drehung der Schneckenwelle besonders reibungsarm ermöglicht ist. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Wälzkörpern um Kugeln, sodass das Wälzlager als Kugellager ausgebildet ist. Alternativ zu der Ausbildung als Wälzlager ist das Lagerelement als Gleitlager ausgebildet. Unter einem Gleitlager ist dabei ein Lager zu verstehen, in dem der Reibungswiderstand zumindest im Wesentlichen durch Schmierung des Lagers verringert wird. In dem Fall, dass das Lager als Gleitlager ausgebildet ist, ergibt sich der Vorteil, dass besonders hohe Axialkräfte ohne Beschädigung des Lagers durch das Lager übertragbar sind.

Die Schneckenwelle ist ferner durch wenigstens ein weiteres Lagerelement drehbar gelagert, das eine radiale Abstützung der Schneckenwelle realisiert. In einer ersten Ausführungsform ist die Schneckenwelle durch zwei Radiallager und ein separates Axiallager drehbar in einem Gehäuse gelagert, wobei das Axiallager zumindest mittelbar an der Axialkraft-Messeinrichtung axial abgestützt ist. Demnach weist der Schneckentrieb in einer Ausführungsform drei separate Lagerelemente auf, wovon zwei zur Abstützung von ausschließlich Radialkräften und eines zur Abstützung von ausschließlich Axialkräften, insbesondere zur Aufnahme von bidirektionalen Kräften in Richtung der Wellenachse, ausgebildet sind. Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement ein Vierpunktkugellager.

Alternativ ist das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement zusätzlich zur Übertragung von Radialkräften ausgebildet. Demnach können im Vergleich zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel nur zwei Lagerelemente zur Lagerung der Schneckenwelle vorgesehen sein, wobei eines der Lagerelemente ausschließlich Radialkräfte aufnimmt und das jeweils andere Lagerelement sowohl Radial- als auch Axialkräfte übernimmt. Letztgenanntes Lagerelement ist als wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement im Sinn der Erfindung zu verstehen. Genauer gesagt ist dieses Lagerelement ein eine Axialkraft und eine Radialkraft übertragendes Lagerelement.

Um eine Beschädigung der Axialkraft-Messeinrichtung, die bevorzugt als Kraftmessdose, insbesondere als Druckmessdose, ausgebildet ist, zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn ein drehfest angeordneter Ring des wenigstens eine Axialkraft übertragenden Lagerelements zumindest mittelbar an der Axialkraft-Messeinrichtung axial abgestützt ist. In einem Ausführungsbeispiel ist der Außenring des wenigstens eine Axialkraft übertragenden Lagerelements drehfest angeordnet, während der Innenring desselben Lagerelements relativ dazu verdrehbar ist. Mithin ist der Innenring drehfest mit der Schneckenwelle verbunden und der Außenring zumindest mittelbar an der Axialkraft-Messeinrichtung axial abgestützt. Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung kann auch der Innenring des Lagerelements drehfest angeordnet und zumindest mittelbar an der Axialkraft-Messeinrichtung abgestützt sein, so dass der Innenring desselben Lagerelements relativ dazu verdrehbar ist und der Außenring entsprechend auf der drehbaren Schneckenwelle angeordnet ist.

Vorzugsweise ist zwischen dem wenigstens eine Axialkraft übertragenden Lagerelement und der Axialkraft-Messeinrichtung ein Kraftübertragungsteil wirksam angeordnet. Das Kraftübertragungsteil ist als Verbindungsstück oder Koppelelement zwischen dem wenigstens eine Axialkraft übertragenden Lagerelement und der Axialkraft- Messeinrichtung angeordnet und überträgt die an der Schneckenwelle wirkenden Axialkräfte von dem Lagerelement auf die Axialkraft-Messeinrichtung. Das Kraftübertragungsteil stützt sich einerseits an dem wenigstens eine Axialkraft übertragenden Lagerelement sowie andererseits an der Axialkraft-Messeinrichtung axial ab. Das Kraftübertragungsteil kann aus einem Blech oder dergleichen hergestellt sein, das durch Stanzen und Umformen hergestellt ist. Alternativ kann das Kraftübertragungsteil, da es im Wesentlichen Axialkräfte übertragen muss, aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Die Axialkraft-Messeinrichtung kann signalübertragend mit einer Datenverarbeitungseinheit verbunden sein, die die von der Axialkraft-Messeinrichtung erfassten Messdaten empfängt oder abruft beziehungsweise anfordert, um aus den Messdaten eine wirkende Axialkraft zu bestimmen und daraus Rückschlüsse über ein wirkendes Drehmoment zu erhalten. Die Datenverarbeitungseinheit kann ein Steuergerät des Roboters sein. Die Antriebseinheit zum Drehantrieb der Schneckenwelle kann mit derselben oder einer separaten Datenverarbeitungseinheit beziehungsweise einem separaten Steuergerät signalübertragend, beispielsweise analog, mittels eines Digitalsignals oder über eine BUS-Leitung, verbunden sein.

Vorzugsweise ist die Schneckenwelle als Globoidschnecke ausgebildet. Mithin ist der Schneckentrieb in diesem Fall als Globoidschneckentrieb zu verstehen. Die äußere Form der Globoidschnecke beschreibt dabei einen Bogen, der das Schneckenrad teilweise “einhüllt“. Im Vergleich zur Zylinderschnecke wird bei Globoidschnecken durch das „Umwickeln“ des Schneckenrades erreicht, dass mehrere Gewindeabschnitte bei der Kraftübertragung beteiligt sind. Globoidschnecken können somit höhere Leistungen, insbesondere größere Drehmomente, übertragen als herkömmliche Zylinderschnecken. Die Außenverzahnung des Schneckenrades kann eine geradver- zahnte oder schrägverzahnte Außenverzahnung sein, wobei die Verzahnung der Schneckenwelle daran angepasst sein kann.

Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel ist ein Zwischengehäuse vorgesehen, welches axial an der Axialkraft-Messeinrichtung abgestützt ist, wobei das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement räumlich innerhalb des Zwischengehäuses angeordnet und abgestützt ist. Die Schneckenwelle ist somit ebenfalls räumlich innerhalb des Zwischengehäuses angeordnet, wobei die Schneckenwelle sowohl radial als auch axial im Zwischengehäuse abgestützt und drehbar gelagert ist.

Das Zwischengehäuse ist axial verlagerbar, insbesondere gleitend innerhalb eines Roboterarms, eines Roboterarmsegments oder eines Roboterarmgelenks, angeordnet, nämlich derart, dass das Zwischengehäuse, wenn die Schneckenwelle axial belastet wird, die Axialkraft auf die Axialkraft-Messeinrichtung überträgt. Das Zwischengehäuse ist also dazu eingerichtet, wenn am Schneckenrad ein Drehmoment anliegt, zusammen mit der Schneckenwelle axial zu verlagern, um die Axialkraft- Messeinrichtung mit Axialkraft zu beaufschlagen. Dazu kann das Zwischengehäuse zum Beispiel in axialer Richtung gleitend und radial abgestützt innerhalb eines Gehäuses des Roboters, insbesondere innerhalb des Roboterarms, des Roboterarmsegments oder des Roboterarmgelenks, angeordnet sein.

Vorzugsweise ist das Schneckenrad innen hohl ausgebildet. Das innen hohle Schneckenrad kann drehfest mit einer koaxial dazu angeordneten Hohlwelle verbunden sein. Das Schneckenrad kann die Hohlwelle radial aufnehmen oder seitlich an der Hohlwelle drehfest angebunden sein. Da über das Schneckenrad der Abtrieb erfolgt, dient die Hohlwelle als Abtriebsteil des Schneckentriebs. Die Hohlwelle kann abtriebsseitig zumindest mittelbar mit einem Roboterarmsegment wirkverbunden sein. Indem das Schneckenrad innen hohl ausgebildet ist, wird eine Durchführung von Elektronik durch das Schneckenrad ermöglicht. Anders gesagt ermöglicht eine derartige Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung eine innen liegende Verdrahtung innerhalb des Roboterarms oder des Roboterarmsegments oder des Roboterarmgelenks.

Die Erfindung betrifft auch einen Roboter, umfassend eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung in einem Roboterarm des Roboters, insbesondere in einem Roboterarmsegment und/oder einem Roboterarmgelenk, angeordnet und wirkt zumindest mittelbar auf zumindest eines der Roboterarmsegmente ein, während es am jeweils anderen Roboterarmsegment abgestützt ist.

Die Antriebsvorrichtung ist als Aktuator des Roboters bzw. des Roboterarms bzw. des Roboterarmgelenks zu verstehen. Die Antriebsvorrichtung umfasst neben dem Schneckentrieb ferner eine Antriebseinheit, vorzugsweise in Form eines Elektromotors, insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der mit dem Schneckentrieb, insbesondere der Schneckenwelle, antriebswirksam verbunden ist. Der Schneckentrieb reduziert eine eingangsseitige Rotationsgeschwindigkeit einer Antriebswelle der Antriebseinheit, insbesondere der damit drehfest verbundenen Schneckenwelle, und wirkt somit als Untersetzungsgetriebe. Neben der Axialkraft-Messeinrichtung kann die Antriebsvorrichtung weitere Sensoren umfassen, wie Drehmomentsensoren, Winkelkodierer und andere Einrichtungen. Die Antriebsvorrichtung kann insbesondere in Service-Robotern eingesetzt werden, die geringere Anforderungen an Präzision erfordern. Derartige Roboter können somit kostengünstig hergestellt werden. Selbstverständlich ist eine derartige Antriebsvorrichtung auch in anderen Einrichtungen einsetzbar, bei denen es erforderlich ist, mit möglichst einfachen Mitteln ein Drehmoment an einem Bauteil der Antriebsvorrichtung zu bestimmen.

Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen zur Antriebsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelten sinngemäß ebenfalls für den Roboter gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, und umgekehrt.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt

Figur 1 eine schematische Darstellung eines nur teilweise dargestellten erfindungsgemäßen Roboters in Form eines Armroboters,

Figur 2 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung des Roboters nach Figur 1 gemäß einer ersten Ausführungsform, und

Figur 3 eine schematische Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Gemäß Figur 1 ist ein Roboterarm 11 eines - hier nur teilweise dargestellten - Roboters 1 stark schematisiert und vereinfacht gezeigt. Der Roboterarm 11 weist vorliegend exemplarisch ein erstes Roboterarmsegment 12 sowie ein zweites Roboterarmsegment 13 auf, die über ein Gelenk 14 gelenkig, also verschwenkbar, miteinander verbunden sind.

Im Gelenk 14, das als Roboterarmgelenk zu verstehen ist, ist gemäß den Figuren 2 und 3 eine Antriebsvorrichtung 2 angeordnet. Die Antriebsvorrichtung 2 weist eine Antriebsseite und eine Abtriebsseite auf, wobei die Antriebsseite mit dem ersten Ro- boterarmsegment 12 wirkverbunden bzw. daran abgestützt ist, und wobei die Abtriebsseite mit dem zweiten Roboterarmsegment 13 wirkverbunden bzw. daran abgestützt ist. Die Antriebsvorrichtung 2 ist als Antriebsstrang zu verstehen, der als Aktuator des Roboterarms 11 fungiert, um eine rotative Position der Roboterarmsegmente 12, 13 einzustellen.

Vorliegend sind auf der Antriebsseite eine Antriebseinheit 15 in Form eines bürstenlosen Gleichstrommotors, eine Steuereinheit 20 inklusive - hier nicht näher gezeigter bzw. gezeigtem - Leistungselektronik bzw. Winkelkodierer sowie eine Schneckenwelle 4 eines Schneckentriebs 3. Der Schneckentrieb 3 ist ein Untersetzungsgetriebe, bei dem die Schneckenwelle 4 mit einem Schneckenrad 10 des Schneckentriebs 3 in Zahneingriff steht, über den der Abtrieb erfolgt, sodass das Schneckenrad 10 der Abtriebsseite der Antriebsvorrichtung 2 zugeordnet ist. Das Schneckenrad 10 ist innen hohl ausgebildet und mit einer - hier nicht gezeigten - Hohlwelle verbunden. Über die Hohlwelle erfolgt der Abtrieb, wobei das Schneckenrad 10 über die Hohlwelle mit dem zweiten Roboterarmsegment 13 wirkverbunden, insbesondere drehfest verbunden, ist.

Die innen hohle Ausführung des Schneckenrades 10 ist vorteilhaft zur Drahtführung, wie hier durch die beiden Kabel 18, 19 angedeutet werden soll, die aus dem ersten Roboterarmsegment 12 kommend von vorne in das Schneckenrad 10 eingeführt und nach hinten in das zweite Roboterarmsegment 13 geführt sind. Das Schneckenrad 10 ist durch entsprechende - hier nicht gezeigte - Lagerelemente drehbar gelagert. Außerdem können Lager zur Unterstützung der Drehung der beiden durch das Gelenk 14 verbundenen Roboterarmsegmente 12, 13 vorgesehen sein. Diese können Kreuzrollenlager oder andere geeignete Lagerarten sein.

Die Schneckenwelle 4 ist vorliegend eine Globoidschnecke, um hohe Drehmomente übertragen zu können. Die Schneckenwelle 4 ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 2 über drei Lagerelemente gegenüber dem ersten Roboterarmsegment 12 gelagert, und zwar zum einen durch ein erstes Radiallager 16 und ein zweites Radiallager 17, die die Schneckenwelle 4 gegenüber dem ersten Roboterarmsegment 12 radial abstützen, sowie zum anderen ein ausschließlich eine Axialkraft übertragendes Lagerelement 5, das über ein Kraftübertragungsbauteil 8 an einer Axialkraft-Messeinrichtung 6 axial abgestützt ist, die wiederum am ersten Roboterarmseg- ment 12 aufgenommen ist. Mithin ist die Antriebsvorrichtung 2 unmittelbar bzw. direkt im ersten Roboterarmsegment 12 angeordnet. Die Axialkraft-Messeinrichtung 6 ist dazu eingerichtet, eine Axialkraft zu erfassen, wenn über das Schneckenrad 10 ein Drehmoment auf die Schneckenwelle 4 übertragen wird. Liegt am Schneckenrad 10 ein Drehmoment an, erzeugt dies eine Axialkraft an der Schneckenwelle 4, die von der Axialkraft-Messeinrichtung 6 erfassbar ist. Die Axialkraft-Messeinrichtung 6 ist als Druckmessdose ausgebildet, wobei das Kraftübertragungsbauteil 8 ausschließlich Axialkräfte auf die Axialkraft-Messeinrichtung 6 überträgt. Dazu ist das Kraftübertragungsbauteil 8 an einem drehfesten Ring 7, hier dem Außenring, des eine Axialkraft übertragenden Lagerelements 5 angeordnet. Das Axialkraft übertragende Lagerelement 5 nimmt bidirektionale Kräfte in Richtung der Wellenachse der Schneckenwelle 4 auf. Hier ist das Lagerelement 5 ein Vierpunktkugellager.

Wenn ein Drehmoment von der Antriebsseite aufgebracht wird, drückt das Schneckenrad 10 die Schneckenwelle 4 in eine axiale Richtung, hier in Richtung der Axialkraft-Messeinrichtung 6. Das Axiallager 5 überträgt diese Axialkraft über seinen Außenring 7 und das Kraftübertragungsbauteil 8, das ein Adapterteil zur Kraftübertragung ist, auf die Axialkraft-Messeinrichtung 6, wobei anhand der Messdaten zur Axialkraft Rückschlüsse über das wirkende Drehmoment gewonnen werden können. Die Axialkraft-Messeinrichtung 6 kann mit der Steuereinheit 20 signalübertragend verbunden sein, wobei die Steuereinheit 20 die Messdaten der Axialkraft-Messeinrichtung 6 zur Umrechnung in ein Drehmoment weiterverarbeitet oder an eine weitere Einrichtung zur Ermittlung des wirkenden Drehmoments weiterleitet.

Figur 3 zeigt ein alternatives, zweites Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung 2. Demnach ist die Schneckenwelle 4 über zwei Lagerelemente gegenüber einem Zwischengehäuse 9 gelagert. In diesem Beispiel ist die Antriebsvorrichtung 2 mit den antriebsseitigen Bauteilen innerhalb des Zwischengehäuses 9 angeordnet ist, wobei das Schneckenrad 10 der Abtriebsseite frei von Kontaktstellen oder -flächen mit dem Zwischengehäuse 9 ist. Die Schneckenwelle 4 ist durch ein Radiallager 16 und ein neben einer Axialkraft zusätzlich auch Radialkräfte übertragendes Lagerelement 5 gegenüber dem Zwischengehäuse 9 gelagert und entsprechend abgestützt. Mithin sind die Lager und die Schneckenwelle 4, also die antriebsseitigen Bauteile der Antriebsvorrichtung 2, räumlich innerhalb des Zwischengehäuses 9 angeordnet. Außerdem ist das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement 5 zusätzlich zur Übertragung von Radialkräften ausgebildet.

Das Zwischengehäuse 9 ist wiederum gleitend gegenüber dem ersten Roboterarmsegment 12 gelagert, was durch die Doppelpfeile 21 an Gehäuseabschnitten des ersten Roboterarmsegments 12 verdeutlicht werden soll. Das Zwischengehäuse 9 ist an der Axialkraft-Messeinrichtung 6 axial abgestützt, welches sich wiederum am Gehäuses des ersten Roboterarmsegments 12 abgestützt. Das Vorsehen eines Zwischengehäuses 9 kann vorteilhaft sein, wenn die Antriebseinrichtung 2, insbesondere dessen Antriebsseite, bei der Montage als vormontierte Einheit in das erste Roboterarmsegment 12 eingesetzt werden soll.

Liegt am Schneckenrad 10 ein Drehmoment an, erzeugt dies eine Axialkraft an der Schneckenwelle 4, die über das Lagerelement 5 und das Zwischengehäuse 9 auf die Axialkraft-Messeinrichtung 6 übertragen und dort erfasst wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Zwischengehäuse 9 axialfest mit dem Außenring des eine Axialkraft übertragenden Lagerelements 5 verbunden, sodass die erforderliche Axialkraftübertragung auf das Zwischengehäuse 9 und von dort auf die Axialkraft- Messeinrichtung 6 erfolgen kann. In diesem Sinn sind die Antriebselemente in einem separaten Gehäuse untergebracht, das im ersten Roboterarmsegment 12 so montiert ist, dass die radiale Bewegung verhindert wird, aber eine axiale Bewegung zwischen dem ersten Roboterarmsegment 12 bzw. dem Gelenk 14 sowie dem Zwischengehäuse 9 mit geringem Widerstand möglich ist. Anstatt einer gleitenden Lagerung können auch Mittel zur axialen Führung des Zwischengehäuses 9 vorgesehen sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Übrigen auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 verwiesen.

Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass auf eine Leistungselektronik an der Steuereinheit 20 verzichtet werden kann, beispielsweise wenn die Antriebseinheit 15 dies nicht erfordert. Zudem kann der Winkelkodierer an einer anderen Stelle, beispielsweise auf der mit dem Schneckenrad 10 verbundenen Hohlwelle, angeordnet sein. Zudem können auch zwei oder mehrere Winkelkodierer vorgesehen sein. Außerdem ist ausgehend vom Ausführungsbeispiel nach Figur 2 denkbar, das zweite Radiallager 17 und das eine Axialkraft übertragende Lagerelement 5 zu einem Lagerelement, bei- spielsweise analog zu Figur 3, zusammenzuführen. Dabei kann dieses Lagerelement radial und axial gleitend am Kraftübertragungsbauteil 8 angeordnet sein.

Bezuqszeichenliste

1 Roboter

2 Antriebsvorrichtung

3 Schneckentrieb

4 Schneckenwelle

5 Axialkraft übertragendes Lagerelement

6 Axialkraft-Messeinrichtung

7 Ring des eine Axialkraft übertragenden Lagerelements

8 Kraftübertragungsteil

9 Zwischengehäuse

10 Schneckenrad

11 Roboterarm

12 erstes Roboterarmsegment

13 zweites Roboterarmsegment

14 Gelenk

15 Antriebseinheit

16 Erstes Radiallager

17 Zweites Radiallager

18 Erstes Kabel

19 Zweites Kabel

20 Steuereinheit

21 Doppelpfeil

Claims

Patentansprüche

1 . Antriebsvorrichtung (2) für einen Roboter (1 ), umfassend einen Schneckentrieb (3), aufweisend eine drehantreibbare Schneckenwelle (4) und ein damit in Zahneingriff stehendes Schneckenrad (10), wobei die Schneckenwelle (4) durch ein wenigstens eine Axialkraft übertragendes Lagerelement (5) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement (5) zumindest mittelbar an einer Axialkraft-Messeinrichtung (6) axial abgestützt ist, wobei die Axialkraft-Messeinrichtung (6) dazu eingerichtet ist, eine Axialkraft zu erfassen, wenn über das Schneckenrad (10) ein Drehmoment auf die Schneckenwelle (4) übertragen wird.

2. Antriebsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement (5) zusätzlich zur Übertragung von Radialkräften ausgebildet ist.

3. Antriebsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein drehfest angeordneter Ring (7) des wenigstens eine Axialkraft übertragenden Lagerelements (5) zumindest mittelbar an der Axialkraft- Messeinrichtung (6) axial abgestützt ist.

4. Antriebsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem wenigstens eine Axialkraft übertragenden Lagerelement (5) und der Axialkraft-Messeinrichtung (6) ein Kraftübertragungsteil (8) wirksam angeordnet ist.

5. Antriebsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkraft-Messeinrichtung (6) als Kraftmessdose, insbesondere als Druckmessdose, ausgebildet ist.

6. Antriebsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenwelle (4) durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor drehantreibbar ist.

7. Antriebsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenwelle (4) als Globoidschnecke ausgebildet ist.

8. Antriebsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Zwischengehäuse (9), das axial an der Axialkraft- Messeinrichtung (6) abgestützt ist, wobei das wenigstens eine Axialkraft übertragende Lagerelement (5) räumlich innerhalb des Zwischengehäuses (9) angeordnet und abgestützt ist.

9. Antriebsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenrad (10) innen hohl ausgebildet ist.

10. Roboter (1 ), umfassend eine Antriebsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.