Gelenkmodul für einen Roboter

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung zwischen zwei relativ zueinander um eine Drehachse drehbar gelagerten Bauteilen. Ferner betrifft die Erfindung ein Gelenkmodul für einen Roboter.

Roboter, beispielsweise Industrieroboter oder kollaborative Roboter, weisen typischerweise mehrere Armsegmente auf, die jeweils über ein Gelenk drehbar an einer Basis oder an einem weiteren Armsegment angeordnet sind. Durch diese Gelenke sind typischerweise elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen geführt, über welche beispielsweise Antriebseinheiten oder ein Manipulator des Roboters kontaktiert ist. Diese Versorgungs- und/oder Signalleitungen sind in der Regel als Kabel ausgeführt, die innerhalb des Gelenks, beispielsweise innerhalb einer Hohlwelle geführt sind. Diese Kabel sind einer anhaltenden Belastung durch Verdrehen ausgesetzt. Aufgrund dieser Drehbelastung kommt es oftmals zu Materialermüdung des elektrischen Leiters des Kabels bzw. dessen Isolationsmaterials.

Alternativ ist es im Stand der Technik bekannt, einen Schleifring als Teil des Gelenks vorzusehen. Derartige Schleifringe weisen einen Gleitkontakt auf, der verschleißanfällig ist.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine ermüdungsresistente elektrische Verbindung drehbar gelagerter Bauteile eines Roboters mit geringem Verschleiß zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung zwischen zwei relativ zueinander um eine Drehachse drehbar gelagerten Bauteilen, mit einer ersten elektrisch leitfähigen Torsionsfeder. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine elektrisch leitfähige Torsionsfeder umfasst, über welche die elektrische Leistungs- und/oder Signalübertragung erfolgen kann. Das Material der Torsionsfeder kann beim Drehen der Bauteile in sich verdreht (tordiert) werden, ist aber ermüdungsresistent. Somit kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Ermüdung von Kabeln verhindert werden und eine verschleißarme elektrische Verbindung drehbar gelagerter Bauteile eines Roboters ermöglicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Torsionsfeder als Schraubenfeder ausgebildet ist. Die als Schraubenfeder ausgebildete Torsionsfeder umfasst einen gewundenen Federdraht. Bevorzugt weist die Schraubenfeder einen zylindrische Hüllfläche auf. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Schraubenfeder eine bogenförmig gekrümmte Hüllfläche oder eine kegelförmige Hüllfläche aufweist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schraubenfeder eine Schraubenachse aufweist, die parallel zu der Drehachse der drehbaren Bauteile angeordnet ist. Bevorzugt ist die Schraubenachse identisch der Drehachse der beiden Bauteile. Unter der Schraubenachse wird diejenige virtuelle Achse verstanden, um welche der Federdraht der Schraubenfeder gewunden ist. Durch eine derartige Anordnung kann erreicht werden, dass die Torsionsbelastung infolge eines Verdrehens der beiden Bauteile gegeneinander in Umfangsrichtung der Schraubenachse auf die Torsionsfeder wirkt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen ersten elektrischen Anschluss zum Anschließen eines ersten elektrischen Leiters und einen zweiten elektrischen Anschluss, der relativ zu dem ersten elektrischen Anschluss um die Drehachse drehbar ist, wobei ein erstes Ende der Torsionsfeder mit dem ersten Anschluss und ein zweites Ende der Torsionsfeder mit dem zweiten Anschluss verbunden ist. Über die elektrischen Anschlüsse können elektrische Leiter, beispielsweise Kabel, mit der Torsionsfeder elektrisch leitend verbunden werden, so dass ein Stromfluss von einem ersten elektrischen Leiter über den ersten elektrischen Anschluss, die Torsionsfeder, den zweiten elektrischen Anschluss und den zweiten elektrischen Leiter erfolgen kann. Bevorzugt sind die elektrischen Anschlüsse als Steckverbinder-Anschlüsse ausgestaltet, beispielsweise als Steckverbinder-Buchse oder Steckverbinder-Stecker.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse, in welchem die erste Torsionsfeder angeordnet ist. Durch das Gehäuse kann die Torsionsfeder vor unerwünschten äußeren Einwirkungen geschützt werden. Insofern wird die Torsionsfeder einerseits gegen Verschmutzungen sowie das Eindringen von Flüssigkeiten geschützt. Andererseits können aber auch unerwünschte mechanische Einwirkungen abgehalten werden, beispielsweise ein Eingreifen in die Torsionsfeder oder eine Behinderung des Bewegungsspielraums der Torsionsfeder. Bevorzugt ist das Gehäuse zweiteilig ausgebildet, wobei ein erster Teil des Gehäuses drehfest mit einem ersten Ende der Torsionsfeder verbunden ist und ein zweiter Teil des Gehäuses drehfest mit einem zweiten Ende der Torsionsfeder verbunden ist. Besonders bevorzugt ist der erste elektrische Anschluss mit dem ersten Gehäuseteil verbunden und der zweite elektrische Anschluss mit dem zweiten Gehäuseteil. Insofern kann das Gehäuse eine Halterung für die elektrischen Anschlüsse bereitstellen.

Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine zweite elektrisch leitfähige Torsionsfeder. Durch die zweite Torsionsfeder kann ein von der ersten Feder unabhängiger elektrischer Pfad bereitgestellt werden. Insofern wird es möglich, zwei elektrische Pfade durch ein Gelenk zu führen, beispielsweise um zwei Signalleitungen oder zwei Versorgungsleitungen. Optional kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu der zweiten elektrisch leitfähigen Torsionsfeder eine dritte elektrisch leitfähige Torsionsfeder und gegebenenfalls weitere elektrisch leitfähige Torsionsfedern vorgesehen sind, so dass weitere elektrische Pfade bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung insgesamt drei, vier fünf, sechs oder mehr elektrisch leitfähige Torsionsfedern umfassen. Zwischen den elektrisch leitfähigen Torsionsfeder, beispielsweise zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitfähigen Torsionsfeder, ist bevorzugt ein elektrischer Isolator angeordnet. Der Isolator kann als separates Bauteil ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Isolator als Beschichtung oder Ummantelung der Torsionsfeder ausgestaltet ist.

Alle vorstehend im Zusammenhang mit der ersten elektrische leitfähigen Torsionsfeder erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen können ebenso bei der zweiten elektrisch leitfähigen Torsionsfeder Anwendung finden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite elektrisch leitfähige Torsionsfeder beide als Schraubenfedern ausgebildet sind. Bevorzugt umfassen die erste und die zweite elektrische leitfähige Torsionsfeder eine identische Schraubenachse. Bevorzugt sind sowohl die erste als auch die zweite Torsionsfeder innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet. Die Torsionssteifigkeit der ersten und zweiten Torsionsfeder ist bevorzugt identisch.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Torsionsfeder als konzentrisch zueinander angeordnete Schraubenfedern ausgebildet sind, wobei die zweite Torsionsfeder radial innerhalb der ersten Torsionsfeder angeordnet ist. Insofern weist die zweite Torsionsfeder bevorzugt einen Außendurchmesser auf, der geringer ist als der Innendurchmesser der ersten Torsionsfeder. Optional kann in radialer Richtung zwischen der ersten und der zweiten Torsionsfeder ein elektrischer Isolator angeordnet sein. Der elektrische Isolator kann nach Art eines Hohlzylinders ausgebildet sein, der die zweite Torsionsfeder umschließt. Alternativ kann der elektrische Isolator ein oder mehrere in axialer Richtung verlaufende Elemente, beispielsweise Stangen, umfassen, die radial zwischen der ersten und zweiten Torsionsfeder angeordnet sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Torsionsfeder als konzentrisch zueinander angeordnete Schraubenfedern ausgebildet sind, wobei die erste und die zweite Torsionsfeder einen identischen Durchmesser aufweisen. Die erste und die zweite Torsionsfeder können derart ineinander gewoben angeordnet sein, dass sich ihre Windungen in axialer Richtung abwechseln. Optional kann ein elektrischer Isolator zwischen den Windungen der ersten und zweiten Schraubenfeder angeordnet sein. Der Isolator kann nach Art einer Schraube ausgestaltet sein, die in axialer Richtung zwischen den Windungen der ersten und zweiten Torsionsfeder angeordnet ist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Gelenkmodul für einen Roboter mit einem ersten Bauteil, einem zweiten Bauteil und einem Lager, durch welches das zweite Bauteil relativ zu dem ersten Bauteil um eine Drehachse drehbar gelagert ist, wobei das Gelenkmodul eine vorstehend beschriebene Vorrichtung zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung zwischen zwei relativ zueinander um eine Drehachse drehbar gelagerten Bauteilen umfasst.

Bei dem Gelenkmodul können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung zwischen zwei relativ zueinander um eine Drehachse drehbar gelagerten Bauteilen beschrieben worden sind. Auch können die in dem Zusammenhang mit dieser Vorrichtung erläuterten vorteilhaften Merkmale und Ausgestaltungen bei der dem Gelenkmodul - allein oder in Kombination - Anwendung finden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung;

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung; und Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Roboters mit einem erfindungsgemäßen Gelenkmodul.

In der Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung dargestellt, über welche eine elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung zwischen zwei relativ zueinander um eine Drehachse D drehbar gelagerten Bauteilen 21 , 22 erfolgen kann. Um eine möglichst ermüdungsresistente elektrische Verbindung zu ermöglichen, umfasst die Vorrichtung 10 eine elektrisch leitfähige Torsionsfeder 11 , welche dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Signal beziehungsweise eine elektrische Leistung zu übertragen. Die Torsionsfeder 11 ist auf der Seite des ersten Bauteils 21 über einen ersten elektrischen Anschluss 13 mit einem ersten elektrischen Leiter 1 , hier einem ersten Kabel, verbunden. Auf der Seite des zweiten Bauteils 22, welches drehbar gegenüber dem ersten Bauteils 21 gelagert ist, ist die Torsionsfeder 11 über einen zweiten elektrischen Anschluss 14 mit einem zweiten elektrischen Leiter 2, hier einem zweiten Kabel, verbunden.

Die Torsionsfeder 11 ist als Schraubenfeder ausgestaltet und weist eine Schraubenachse F auf, die parallel zur, hier identisch der, Drehachse D des Bauteile 21 , 22 ist.

Die Darstellung in Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung zwischen zwei relativ zueinander um eine Drehachse D drehbar gelagerten Bauteilen 21 , 22 gemäß der Erfindung. Auch die Vorrichtung 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst eine Torsionsfeder, die in der Darstellung gemäß Fig. 2 durch ein Gehäuse 16 verdeckt ist. Das Gehäuse 16 schützt die Torsionsfeder 11 vor äußeren Einwirkungen und bildet gleichzeitig eine Halterung für die elektrischen Anschlüsse 13, 14, über welche elektrische Leiter 1 , 2 an die Vorrichtung 10 angeschlossen sind. Das Gehäuse 16 ist als zweiteiliges Gehäuse 16 mit einem ersten Gehäuseteil 17 und einem zweiten Gehäuseteil 18 ausgestaltet. Die Gehäuseteile 17, 18 sind um die Drehachse D, die identisch mit der Schraubenachse F der Torsionsfeder 11 ist, drehbar angeordnet. Das erste Gehäuseteil 17 ist drehfest mit dem ersten Bauteil 21 verbunden. Das zweite Gehäuseteil 22 ist drehfest mit dem zweiten Gehäuseteil 22 verbunden. In der Fig. 3 ist schematisch eine Vorrichtung 10 zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung zwischen zwei relativ zueinander um eine Drehachse D drehbar gelagerten Bauteilen 21 , 22 gezeigt, die mehrere, hier genau zwei, elektrisch leitfähige Torsionsfedern 11 , 12 umfasst. Über die erste Torsionsfeder 11 werden erste elektrische Leiter 1 , 2 miteinander drehbar gekoppelt und über die zweite Torsionsfeder 12 werden zweite elektrische Leiter 3, 4 miteinander drehbar gekoppelt.

Die beiden Torsionsfedern 11 , 12 sind als Schraubenfedern ausgebildet und konzentrisch zueinander um eine gemeinsame Schraubenachse F angeordnet. Die zweite Schraubenfeder 12 ist dabei radial innerhalb der ersten Torsionsfeder 11 angeordnet. Diese Anordnung wird dadurch ermöglicht, dass die zweite Torsionsfeder 12 einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser der ersten Torsionsfeder 11 . Insofern sind die beiden Torsionsfedern 11 , 12 in radialer Richtung R beabstandet. In dem in der radialen Richtung R zwischen den Torsionsfedern 11 , 12 vorhandenen Bauraum ist bei dem Ausführungsbeispiel ein elektrischer Isolator 15 angeordnet.

Die Darstellung in Fig. 4 zeigt schematisch eine weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung zwischen zwei relativ zueinander um eine Drehachse D drehbar gelagerten Bauteilen 21 , 22 mit mehreren Torsionsfedern 11 , 12. In diesem Ausführungsbeispiel sind eine erste Torsionsfeder 11 und eine zweite Torsionsfeder 12 vorgesehen. Die erste und die zweite Torsionsfeder 11 , 12 sind als konzentrisch um die gemeinsame Schraubenachse F angeordnete Schraubenfedern ausgebildet und weisen einen identischen Durchmesser auf. Die beiden Schraubenfedern 11 , 12 sind derart ineinander gewoben angeordnet, dass sich ihre Windungen in axialer Richtung abwechseln. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist zwischen den Windungen der Schraubenfedern 11 , 12 ein schraubenförmig ausgebildeter Isolator a15 angeordnet.

Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen 10 zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung zwischen zwei relativ zueinander um eine Drehachse D drehbar gelagerten Bauteilen 21 , 22 können als Teil eines Gelenkmoduls 100 für einen Roboter 200 vorgesehen sein, wie er in Fig. 5 gezeigt ist. Der Roboter 200 umfasst mehrere Armsegmente 201 , die jeweils über ein solches Gelenkmodul 100 mit einem anderen Armsegment oder einer Basis des Roboters drehbar verbunden sind. Das Gelenkmodul 200 umfasst dabei jeweils ein erstes Bauteil 21 (gemäß Fig.

1 bis 4), welches mit einem Armsegment 201 drehfest verbunden ist, und ein zweites Bauteil (gemäß Fig. 1 bis4), welches mit einem weiteren Armsegment 201 oder einer Basis des Roboters 200 drehfest verbunden ist. Ein weiterer Bestandteil des Gelenkmoduls 100 ist ein in der Fig. 5 nicht gezeigtes Lager, welches das erste und zweite Bauteil 21 , 22 gegeneinander drehbar lagert.

Bezugszeichenliste

1 elektrischer Leiter elektrischer Leiter

3 elektrischer Leiter elektrischer Leiter

10 Vorrichtung zur elektrischen Leistungs- und/oder Signalübertragung

11 Torsionsfeder

12 Torsionsfeder

13 elektrischer Anschluss

14 elektrischer Anschluss

15 elektrischer Isolator

16 Gehäuse

17 Gehäuseteil

18 Gehäuseteil

21 Bauteil

22 Bauteil

100 Gelenkmodul

200 Roboter

201 Armsegment

D Drehachse

F Schraubenachse

R radiale Richtung