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Title:
WEIGHT COMPENSATION SYSTEM FOR DEVICES WITH AXES OF ROTATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/020160
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a weight compensation system (6) for a device, preferably a robot (1) with a bending arm, comprising at least one base element (3) and at least one element (4) which is rotatably mounted in the base element (3). The inventive weight compensation system (6) compensates the weight moment of the moving robot element (4). The weight compensation system (6) is made up of an energy accumulator (19) which is coupled to the robot element (4) by means of a gear element and a transversal drag element. The gear element can, for example, consist of two toothed wheels (10) and (12). The transversal drag element is made up of a coupling joint (16), a slider (17) and a guide (18). The gear element and the energy accumulator (19) are embodied in such a way that the force characteristic of the energy accumulator (19) is transformed into a sinusoidal torque curve on the axis of rotation (8) of the robot element (4), resulting in compensation of the weight moment of the moving robot element (4) for the entire range of rotation of the axis (8).

Inventors:
Boehm, Hubertus (Brockfeldsweg 6, Steinheim, 32839, DE)
Schlattmann, Josef (Resseltstrasse 26, Rheine, 48431, DE)
Application Number:
PCT/DE2003/002812
Publication Date:
March 11, 2004
Filing Date:
August 22, 2003
Export Citation:
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Assignee:
Boehm, Hubertus (Brockfeldsweg 6, Steinheim, 32839, DE)
Schlattmann, Josef (Resseltstrasse 26, Rheine, 48431, DE)
International Classes:
B25J9/10; B25J19/00; (IPC1-7): B25J19/00
Foreign References:
US4901591A1990-02-20
EP0165129A11985-12-18
EP0819041A11998-01-21
US6145403A2000-11-14
US20010025541A12001-10-04
FR2422482A11979-11-09
DE4132775A11993-04-08
US5016854A1991-05-21
Other References:
DATABASE WPI Section PQ Week 198633, Derwent World Patents Index; Class P62, AN 1986-217453, XP002269662
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Claims:
Patentansprüche
1. Gewichtsausgleichssystem für einen Roboter mit wenigstens einem Basiselement und wenigstens einem bewegten Element, welches über ein Drehgelenk an dem Basiselement drehbar gelagert ist und dessen Schwerpunkt bei einer Drehbewegung seine Höhenlage in Bezug auf das Gravitationsfeld der Erde verändert, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsausgleichssystem aufgebaut ist aus wenigstens einer Energiespeichereinrichtung, die mit wenigstens einem beweglichen Element über ein. Kreuzschleifenelement und ein Getriebeelement gekoppelt ist.
2. Gewichtsausgleichssystem für einen Roboter mit wenigstens einem Basiselement und wenigstens einem bewegten Element, welches über ein Drehgelenk an dem Basiselement drehbar gelagert ist und dessen Schwerpunkt bei einer Drehbewegung seine Höhenlage in Bezug auf das Gravitationsfeld der Erde verändert, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsausgleichssystem aufgebaut ist aus wenigstens einer Energiespeichereinrichtung mit einer zumindest annähernd konstanten Kraftkennlinie, die mit wenigstens einem beweglichen Element über ein Kreuzschleifenelement gekoppelt ist.
3. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebeelement aus wenigstens zwei Zahnrädern besteht, die an Drehachsen exzentrisch gelagert sind.
4. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1, dadurch t gekennzeichnet, dass das Getriebeelement aus wenigstens zwei Unrundzahnrädern besteht.
5. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder als Stirnräder ausgebildet sind.
6. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung aus einem oder mehreren Federelementen aufgebaut ist.
7. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente als Zugoder Druckfedern ausgebildet sind.
8. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente als Gasfedern ausgebildet sind.
9. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung aus einem magnetischen System aufgebaut ist.
10. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung aus einem pneumatischen System aufgebaut ist.
11. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung aus einem hydraulischen System aufgebaut ist.
12. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung aus einem hydropneumatischen System aufgebaut ist.
13. Gewichtsausgleichssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung aus mehreren parallelgeschalteten Einzelelementen aufgebaut ist und wenigstens eines der Einzelelemente durch eine Verstelleinrichtung von dem Kreuzschleifenelement ein und auskoppelbar ist.
14. 13 Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung durch einen Hydraulikoder Pneumatikzylinder betätigt wird.
15. KnickarmRoboter mit einem Basiselement sowie wenigstens zwei beweglichen Elementen, von denen das erste Element durch eine erste Achse drehbar im Basiselement gelagert ist und das zweite Element durch eine zweite Achse drehbar im ersten Element gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element mit einem ersten Gewichtsausgleichssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gekoppelt ist und dass das zweite Element mit einem zweiten Gewichtsausgleichssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gekoppelt ist.
Description:
Gewichtsausgleichssystem für Geräte mit Drehachsen Die Erfindung betrifft ein Gewichtsausgleichssystem für ein Gerät, eine Maschine oder eine Vorrichtung, vorzugsweise einen Knickarm-Roboter, mit wenigstens einem Basiselement und wenigstens einem bewegten Element, welches über ein Drehgelenk an dem Basiselement drehbar gelagert ist und dessen Schwerpunkt bei einer Schwenkbewegung seine Höhenlage in Bezug auf das Gravitationsfeld der Erde verändert.

Bei derartigen Geräten kann es sich beispielsweise um einen Roboter oder ein Handhabungsgerät handeln. Ein Roboter muss den Roboterarm, der aus mehreren beweglichen Elementen aufgebaut ist, sowie eine Nutzlast entsprechend einer vorgegebenen Funktion bewegen und in einer gewünschten Position halten. Hierzu müssen die Antriebsmotoren ein Drehmoment liefern, welches sich im wesentlichen aus den folgenden Komponenten zusammensetzt : - Drehmoment zur Überwindung der Gewichtsmomente der bewegten Roboterelemente und der Nutzlast, - Drehmoment zur Beschleunigung und Verzögerung, - Drehmoment zur Überwindung von Reibung, - Drehmoment, welches durch die Arbeitsaufgabe des Roboters verursacht wird, z. B. Einpressvorgang.

Bei einer horizontal angeordneten Drehachse folgt das Gewichtsmoment eines bewegten Roboterelementes einer Sinus- Funktion. In der senkrecht nach oben stehenden Stellung des Roboterelementes ist das auf die Drehachse wirkende Gewichtsmoment Null, es wächst mit Absenkung des Roboterelementes sinusförmig bis auf das in der horizontalen Stellung liegende Maximum an und fällt daraufhin wieder auf Null in der senkrecht nach unten hängenden Stellung.

Es sind eine Reihe von verschiedenen Bauformen von Robotern bekannt, bei denen unterschiedliche Arten eines Gewichtsausgleichssystems realisiert sind.

Bei einem Gewichtsausgleichssystem handelt es sich um ein passives, d. h. keine äußere Energie verbrauchendes System, durch welches. das durch die Gewichtskräfte verursachte Drehmoment zumindest teilweise kompensiert wird.

Bei Robotern ohne Gewichtsausgleichssystem müssen die Antriebsmotoren das Gewichtsmoment der bewegten Roboterelemente sowie der Nutzlast überwinden. Nachteilig hierbei ist, dass ein wesentlicher Anteil der Motorleistung für die eigentliche Aufgabe, nämlich die Beschleunigung und Verzögerung der Roboterelemente, verloren geht.

Es sind Roboter mit einem Gewichtsausgleich bekannt, bei denen das Gewichtsmoment des Roboterarmes und der Nutzlast durch ein Gegengewicht zumindest teilweise ausgeglichen wird.

Bei einem solchen Gewichtsausgleich brauchen die Antriebsmotoren keine bzw. nicht die vollen Gewichtsmomente zu überwinden und können somit einen großen Anteil ihrer Leistung für die Beschleunigung und Verzögerung der zugeordneten Roboterelemente einsetzen.

Ein derartiger Gewichtsausgleich hat jedoch auch eine Reihe von Nachteilen : - Durch ein Gegengewicht wird das Massenträgheitsmoment des Roboterelementes insgesamt größer, was sich negativ auf die Dynamik des Roboterelementes auswirkt.

- Der Gewichtsausgleich kann nicht an unterschiedliche Nutzlasten angepasst werden.

- Wegen des durch die Ausgleichsgewichte höheren Gewichtes müssen die einzelnen Roboterelemente steifer und somit wiederum schwerer ausgeführt werden, um eine gute Positioniergenauigkeit des Roboterarmes sicherzustellen.

- Oftmals werden durch die Anordnung der Ausgleichsgewichte die Drehwinkel der einzelnen Achsen eingeschränkt, so dass der von der Hand des Roboters erreichbare Arbeitsraum eingeschränkt wird.

Aus der EP 0 819 041 ist ein Roboter mit einem Gewichtsausgleichssystem bekannt, bei der das bewegte Roboterelement durch ein hydropneumatisches System, beispielsweise eine Gasfeder, angelenkt wird. Das eine Ende des hydropneumatischen Systems ist am Grundkörper des Roboters befestigt, während das andere Ende am Oberarm des Roboters befestigt ist. Ein Gewichtsausgleich durch ein derartiges System weist die folgenden Nachteile auf : - Ein exakter Gewichtsausgleich ist nur für eine bestimmte Winkellage (Arbeitspunkt) des Roboterelementes möglich, in der Umgebung dieses Arbeitspunktes ist für einen kleinen Drehwinkelbereich ein annähernder Gewichtsausgleich realisierbar. In dem restlicher Drehwinkelbereich ist nur ein sehr unvollständiger Gewichtsausgleich möglich.

- Durch die Anlenkung des Gewichtsausgleichssystems an das bewegte Roboterelement wird der Drehwinkelbereich des Roboterelementes eingeschränkt.

- Eine Anpassung des Gewichtsausgleichssystems an unterschiedliche Nutzlasten ist nur mit einem erhöhten Aufwand, z. B. durch eine Druckänderung im hydropneumatischem System möglich.

- Die wirkenden Ausgleichskräfte verändern sich durch Temperatureinflüsse und sind abhängig von der Geschwindigkeit des bewegten Roboterelementes.

- Durch die in dem hydropneumatischen System notwendigen Abdichtungen treten hohe Reibungsverluste auf.

- Neben hohem Wartungsaufwand für ein hydropneumatisches System besteht die Gefahr von Leckagen.

Wegen der beschriebenen Nachteile, besonders wegen der unvollständigen Kompensation der Gewichtsmomente in einen großen Drehwinkelbereich und der Einschränkung des Drehwinkelbereiches des Roboterelementes, ist bei Robotern mit einem derartig aufgebauten Gewichtsausgleichssystem i. a. ein Gewichtsausgleich nur für den Oberarm vorhanden.

Aus der DE 100 07 251 ist ein Gewichtsausgleichssystem für einen Roboter bekannt, bei dem das bewegte Roboterelement durch ein Federungssystem angelenkt wird. Hier ist beispielsweise der eine Federendabschnitt am Grundkörper des Roboters befestigt, während der andere Federendabschnitt am bewegten Roboterelement befestigt ist. Auch dieses Gewichtsausgleichssystem weist eine Reihe von Nachteilen auf : - Ein exakter Gewichtsausgleich ist nur für eine bestimmte Winkellage (Arbeitspunkt) des Roboterelementes möglich, in der Umgebung dieses Arbeitspunktes ist für einen kleinen Drehwinkelbereich ein annähernder Gewichtsausgleich realisierbar. In dem restlicher Drehwinkelbereich ist nur ein sehr unvollständiger Gewichtsausgleich möglich.

- Durch die Anlenkung des Gewichtsausgleichssystems an das bewegte Roboterelement wird der Drehwinkelbereich des Roboterelementes eingeschränkt.

- Zur Anpassung an verschiedene Nutzlasten muss das Federungssystem manuell umgebaut werden.

- Das Bauvolumen der Federungssysteme ist sehr groß, um die notwendigen Kräfte aufbringen zu können.

Wegen der beschriebenen Nachteile ist bei Robotern mit einem derartig aufgebauten Gewichtsausgleichssystem i. a. ein Gewichtsausgleich nur für den Oberarm vorhanden.

In den Patentschriften DD 296 442, DD 252 148, DD 219 719 und DD 154 282 werden Gewichtsausgleichseinrichtungen für Roboter beschrieben, bei denen ein Federungssystem durch eine Kurvenscheibe angelenkt wird. Mit einer entsprechend ausgestalteten Kurve wird erreicht, dass die lineare Federkraftcharakteristik einen sinunsförmigen Drehmomentverlauf bewirkt. Es ist somit eine exakte Kompensation des Gewichtsmomentes des bewegten Roboterelementes in jeder beliebigen Winkelstellung möglich.

Solche Kurvenscheiben sind jedoch sehr aufwendig in der Herstellung und unterliegen einem starken Verschleiß. Darüber hinaus treten bei einer derartigen Konstruktion sehr hohe Kräfte und Flächenpressungen auf.

Bei den zur Zeit auf dem Markt angebotenen Robotern ist ein derartig aufgebautes Gewichtsausgleichssystem nicht realisiert.

Aus der DE 198 01 229 ist ein Gewichtsausgleichssystem bekannt, bei der man durch hintereinandergeschaltete Federn mit unterschiedlichen Federkonstanten und mechanisch begrenzten Federwegen für das Gesamtsystem eine Federkonstante erhält, die einen nicht mehr konstanten Verlauf, sondern einen der Sinus-Funktion angenäherten Verlauf besitzt. Nachteilig bei diesem System ist, dass eine näherungsweise Kompensation des Gewichtsmomentes nur in dem Drehwinkelbereich von der senkrecht nach oben stehenden Stellung des Roboterelementes bis in die waagerecht liegende Stellung des Roboterelementes stattfindet.

Aus der EP 0 165 129 ist ein Gewichtsausgleichssystem bekannt, bei dem ein Federmechanismus über eine Kreuzschleife und ein Gelenkgetriebe angelenkt wird. Nachteilig bei der in der genannten Patentschrift offenbarten Lösung ist der erheblichen Platzbedarf für das Gewichtsausgleichssystem.

Weiterhin ist mit dem beschriebenen System eine Kompensation des Gewichtsmomentes nicht für den gesamten Drehwinkelbereich der Achse (360 Grad) möglich.

Auch die beiden letztgenannten Bauformen von Gewichtsausgleichssystemen sind bei den zur Zeit auf dem Markt angebotenen Robotern nicht realisiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gewichtsausgleichssystem für Roboter zu schaffen, welches bei einem möglichst einfachen Aufbau die eingangs genannten Nachteile der bekannten Gewichtsausgleichssysteme vermeidet.

Insbesondere soll das Gewichtsmoment des bewegten Roboterelementes für den gesamten Drehbereich der Achse in jeder Stellung möglichst exakt kompensiert werden, ohne das Massenträgheitsmoment des bewegten Elementes wesentlich zu vergrößern. Darüber hinaus soll das Gewichtsausgleichssystem für ein bewegtes Element, z. B. den Oberarm eines Roboters, wie auch für mehrere bewegte Elemente, z. B. den Oberarm und den Unterarm eines Roboters, einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform gelöst.

Die Erfindung sieht vor, das Gewichtsausgleichssystem aus einer Energiespeichereinrichtung in Kombination mit einem Kreuzschleifenelement und einem Getriebeelement aufzubauen.

Das bewegliche Element des Roboters ist mit der passiven, d. h. keine äussere Energie verbrauchenden Energiespeichereinrichtung mechanisch gekoppelt, diese Koppelung wird durch das Getriebeelement und das Kreuzschleifenelement realisiert. Bei einer Bewegung des Roboterelementes wird die Energiespeichereinrichtung entsprechend einer durch das Getriebeelement und das Kreuzschleifenelement festgelegten Funktion ausgelenkt.

Bei dem Energiespeicher handelt es sich beispielsweise um eine oder mehrere Druckfedern, Zugfedern, Gasfedern oder um ein hydropneumatisches oder magnetisches System.

Bei dem Getriebeelement handelt es sich vorzugsweise um ein Zahnradpaar mit zwei exzentrisch laufende Stirnrädern oder Unrundzahnrädern. Das erste Zahnrad ist mit der Achse des beweglichen Roboterelementes verbunden, während das zweite Zahnrad mit der Kurbel des Kreuzschleifenelementes verbunden ist.

Durch die besondere Ausgestaltung des Getriebeelemenetes und des Kreuzschleifenelementes wird erreicht, dass die Kraftcharakteristik der Energiespeichereinrichtung in einen näherungsweise sinusförmigen Drehmomentenverlauf an der Drehachse des beweglichen Roboterelementes gewandelt wird.

Dieser näherungsweise sinusförmige Drehmomentenverlauf entspricht in etwa dem Drehmomentenverlauf der Gewichtskraft des bewegten Roboterelementes, wirkt jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Es wird somit eine annähernd exakte Kompensation des Gewichtsmomentes des beweglichen Roboterelementes erreicht.

In Abhängigkeit von der Art der Kraftkennlinie der Energiespeichereinrichtung kann das Getriebeelement und das Kreuzschleifenelement derartig ausgelegt werden, dass das Gewichtsausgleichssystem eine möglichst gute Kompensation des Gewichtsmomentes bewirkt.

Energiespeichereinrichtungen, die aus Federungssystemen aufgebaut sind, haben in der Regel eine lineare Kraftkennlinie, d. h. die Kraft steigt proportional mit einer zunehmenden Auslenkung des Energiespeichers. Bei diesen Systemen kann durch eine entsprechende Auswahl der Exzentrizität des Zahnradpaares bzw. durch eine entsprechende Auslegung der Wälzkurven der Unrundzahnräder eine exakte Kompensation des Gewichtsmomentes des bewegten Roboterelementes erreicht werden.

Es gibt jedoch auch Energiespeichereinrichtungen mit einer konstanten Kraftkennlinie. Diese können beispielsweise aus einem hydraulischen, pneumatischen oder magnetischen System bestehen. Bei diesen Systemen ist die von der Energiespeichereinrichtung gelieferte Kraft zumindest annähernd unabhängig von der Auslenkung des Energiespeichers.

Bei diesen Systemen kann auf das Getriebeelement ggfls. komplett verzichtet werden, d. h. ein aus einem Kreuzschleifenelement und einer solchen Energiespeichereinrichtung aufgebautes Gewichtsausgleichssystem bewirkt eine exakte Kompensation des Gewichtsmomentes des bewegten Roboterelementes.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Gewichtsausgleichssystem eine Kompensation des Gewichtsmoments für den gesamten Drehbereich der Achse (360 Grad) bewirkt. Weiterhin wird der Wirkungsbereich bzw. die Bewegungsmöglichkeiten des bewegten Elementes durch das Gewichtsausgleichssystem nicht beeinträchtigt.

Durch diese besonderen Merkmale wird es möglich, das Gewichtsausgleichssystem vorteilhafterweise sowohl für ein bewegliches Element, beispielsweise den Oberarm eines Roboters, wie auch für mehrere gekoppelte bewegliche Elemente, beispielsweise den Oberarm und den Unterarm eines Roboters, einzusetzen.

Das Gewichtsausgleichssystem kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung automatisch an wechselnde Nutzlasten angepasst werden oder auch zur Unterstützung der Antriebseinrichtung während der Beschleunigungs-und Verzögerungsphase des Roboterelementes eingesetzt werden.

Für das Gewichtsausgleichssystem sind neben dem Einsatz in Robotern noch viele weitere Einsatzfälle für angetrieben sowie manuell bewegte Systeme denkbar.

Bei angetriebenen Systemen, wie beispielsweise Roboter, Handhabungsgeräten, Hebezeuge und sonstigen Maschinen werden die Antriebseinrichtungen durch Einsatz des Gewichtsausgleichssystems entlastet. Hierdurch erhält man höhere Verfahrgeschwindigkeiten und damit kürzere Taktzeiten.

Zudem kann der Energieverbrauch der Antriebseinrichtungen reduziert werden.

Bei manuell bewegten Systemen wie beispielsweise Manipulatoren und Öffnungsklappen, wird durch Einsatz des Gewichtsausgleichssystems die zum Bewegen der Last notwendige Kraft vermindert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung. Die nachfolgende Beschreibung erfolgt exemplarisch am Beispiel eines Vertikal-Knickarm-Roboters, sie gilt jedoch analog für ähnliche Vorrichtungen mit einer oder mehreren Drehachsen, bei denen Gewichtskräfte zu überwinden sind.

Die Figuren der Zeichnungen zeigen im einzelnen : Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Roboters mit einem beweglichen Element und einem Gewichtsausgleichssystem Fig. 2a bis 2b eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Roboters mit einem beweglichen Element und einem Gewichtsausgleichssystem in zwei verschiedenen Stellungen des Roboterelementes Fig. 3a bis 3d einen Roboter mit einem beweglichen Element und einem Gewichtsausgleichssystem in vier verschiedenen Stellungen des Roboterelementes Fig. 4 eine Ausführungsform eines Roboters mit zwei beweglichen Elementen in einer perspektivischen Ansicht Fig. 5 eine Energiespeichereinrichtung mit Verstelleinrichtung Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Vertikal- Knickarm-Roboters mit einem beweglichen Element und einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewichtsausgleichssystems.

Der Roboter 1 ist aufgebaut aus dem Basiselement 3 und dem ersten Roboterelement (Oberarm) 4. Der Oberarm 4 ist durch die erste Drehachse 8 drehbar im Basiselement 3 gelagert. Der Oberarm 4 ist mit dem ersten Gewichtsausgleichssystem 6 sowie der hier nur teilweise dargestellten Antriebseinrichtung 9 gekoppelt.

Eine detaillierte Beschreibung der Funktion und der Wirkungsweise des Gewichtsausgleichssystems erfolgt unter Bezug auf die Fig. 2a und 2b.

Die Fig. 2a und 2b zeigen eine schematische Darstellung des in Fig. 1 dargestellten Roboters 1 mit einem beweglichen Element und einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewichtsausgleichssystems 6 in zwei verschiedenen Stellungen.

Das erste Roboterelement (Oberarm) 4 ist in der ersten Drehachse 8 drehbar gelagert, er wird durch eine hier nicht dargestellte Antriebseinrichtung angetrieben. Die Bewegung des Oberarmes 4 wird durch ein Zahnradpaar auf die Kurbel der Kreuzschleife 15 übertragen. Bei dem Zahnradpaar handelt es sich hier beispielhaft um die zwei exzentrisch laufenden Stirnräder 10 und 12.

Das erste Zahnrad 10 ist fest mit dem Oberarm 4 verbunden, es dreht sich nicht um seine Mittelachse 11, sondern gemeinsam mit dem Oberarm um die erste Drehachse 8. Auch das zweite Zahnrad 12, welches in Eingriff mit Zahnrad 10 steht, dreht sich nicht um seine Mittelachse 13, sondern um die hierzu versetzte Drehachse 14. Die Drehung des Zahnrades 12 wird über die mit dem Zahnrad verbundene Kurbel der Kreuzschleife 15 und das Koppelgelenk der Kreuzschleife 16 auf den Schieber der Kreuzschleife 17 übertragen. Der Schieber 17 ist in der Führung 18 verschiebbar gelagert. Eine lineare Auf-und Abwärtsbewegung des Schiebers bewirkt eine Auslenkung der Energiespeichereinrichtung 19, die hier beispielhaft aus drei Druckfedern aufgebaut ist.

Die Wirkungsweise des Gewichtsausgleichssystems 6 wird mit der folgenden anschaulichen Erklärung verdeutlicht, indem der Oberarm 4 in vier verschiedenen Stellungen betrachtet wird : - In der senkrecht nach oben stehenden Stellung des Oberarmes 4 (Winkelstellung 0 Grad) steht auch die Kurbel der Kreuzschleife 15 senkrecht nach oben.

- In der durch Fig. 2a gegebenen Stellung des Oberarmes 4 (Winkelstellung 45 Grad) hat sich die Kurbel der Kreuzschleife 15 schon um einen Winkelbetrag von mehr als 45 Grad bewegt.

- In der durch Fig. 2b gegebenen Stellung des Oberarmes 4 (Winkelstellung 135 Grad) hat sich die Kurbel der Kreuzschleife 15 wiederum um einen Winkelbetrag von mehr als 135 Grad gedreht.

- In der senkrecht nach unten hängenden Stellung des Oberarmes 4 (Winkelstellung 180 Grad) zeigt auch die Kurbel der Kreuzschleife 15 senkrecht nach unten.

Wie man aus den Abbildungen in Fig. 2a und 2b entnehmen kann, wird durch das exzentrisch laufende Zahnradpaar 10 und 12 die Bewegung des Oberarmes 4 nicht gleichförmig auf das Kreuzschleifenelement übertragen. Während sich das erste Zahnrad 10 von der senkrecht nach oben stehenden Stellung (Winkelstellung 0 Grad) in die waagerecht liegende Stellung (Winkelstellung 90 Grad) bewegt, eilt das zweite Zahnrad 12 dem Drehwinkel von Zahnrad 10 in zunehmenden Maße vor. Diese Voreilung wird wieder abgebaut, während sich das erste Zahnrad 10 von der Winkelstellung 90 Grad in die senkrecht nach unten hängende Stellung (Winkelstellung 180 Grad) bewegt.

Wie man erkennen kann, ist in der Winkelstellung von 45 Grad (Fig. 2a) der Kraftarm 30 größer und die Kraft 31 kleiner als in der Winkelstellung von 135 Grad (Fig. 2b).

Das Gewichtsausgleichssystem 6 muß nun so ausgelegt werden, dass das Produkt aus der Kraft 31 und dem Kraftarm 30 für jede Winkelstellung der Oberarmes 4 möglichst exakt dem Produkt aus der Gewichtskraft des Oberarmes 4 und dem Lastarm 29 entspricht.

Bei einer derartigen Auslegung wird die Gewichtskraft des Oberarmes 4 durch das Gewichtsausgleichssystem 6 kompensiert.

Der Effekt der ungleichförmigen Drehübertragung durch das exzentrisch laufende Zahnradpaar 10 und 12 kann auch durch andere konstruktive Lösungen erreicht werden. Eine vorteilhafte Lösungsmöglichkeit liegt beispielsweise im Einsatz von Unrundzahnrädern.

Die Fig. 3a bis 3d zeigen den in Fig. 1 dargestellten Roboter in verschiedenen Stellungen.

Der Roboter 1 ist aufgebaut aus dem Basiselement 3 und dem ersten Roboterelement (Oberarm) 4. Der Oberarm 4 ist durch die erste Drehachse 8 drehbar im Basiselement 3 gelagert. Der Oberarm 4 ist mit dem ersten Gewichtsausgleichssystem 6 sowie einer hier nicht dargestellten Antriebseinrichtung gekoppelt.

Die Funktion und die Wirkungsweise des Gewichtsausgleichssystems 6 entspricht dem unter Bezug auf die Fig. 2a und 2b beschriebenen System.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Vertikal-Knickarm- Roboters mit zwei beweglichen Elementen und den zugeordneten erfindungsgemäßen Gewichtsausgleichssystemen.

Der Roboter 2 ist aufgebaut aus einem Basiselement 3, einem ersten Roboterelement (Oberarm) 4 und einem zweiten Roboterelement (Unterarm) 5. Der Oberarm 4 ist durch die erste Drehachse 8 im Basiselement 3 drehbar gelagert und wird durch die erste Antriebseinrichtung 9 angetrieben. Der Oberarm 4 steht in direkter Verbindung mit dem ersten Gewichtsausgleichssystem 6, die Funktion und die Wirkungsweise dieses Gewichtsausgleichssystems entspricht dem unter Bezug auf die Fig. 2a und 2b beschriebenen System.

Der Unterarm 5 ist durch die zweite Drehachse 26 im Oberarm 4 drehbar gelagert. Er wird durch die zweite Antriebseinrichtung 27 angetrieben. Diese Antriebseinrichtung 27 sowie das zweite Gewichtsausgleichssystem 7 sind am Basiselement 3 des Roboters befestigt. Daher ist der Unterarm 5 über den Übertragungsmechanismus 28 mit dem Gewichtsausgleichssystem 7 und der Antriebseinrichtung 27 gekoppelt. Bei dem Übertragungsmechanismus kann es sich beispielsweise um einen Riemen oder eine Kette handeln.

Die Funktion und die Wirkungsweise des zweiten Gewichtsausgleichssystems 7 entspricht wiederum dem unter Bezug auf die Fig. 2a und 2b beschriebenen System.

Fig. 5 zeigt eine Energiespeichereinrichtung mit einer Verstelleinrichtung zur Anpassung der Kraftkennlinie der Energiespeichereinrichtung an unterschiedliche Betriebsbedingungen.

Die Energiespeichereinrichtung 19 ist beispielhaft aufgebaut aus drei parallel geschalteten Federelementen 20,21 und 22, die hier als Druckfedern ausgebildet sind. Die Federelemente 20,21 und 22 sind durch Verstelleinrichtungen 23,24 und 25 zwischen einer aktiven und einer inaktiven Betriebsstellung verstellbar. Die Verstelleinrichtungen 23,24 und 25 können beispielsweise als Pneumatikzylinder ausgebildet sein. In Fig. 5 befinden sich die Federelemente 20 und 22 in der aktiven Betriebsstellung, während sich das Federelement 21 in der inaktiven Betriebsstellung befindet. Die Federelemente 20 und 22 sind kraftschlüssig mit dem Schieber der Kreuzschleife 17 gekoppelt, wohingegen das Federelement 21 durch die Verstelleinrichtung 24 soweit komprimiert ist, das es den Schieber der Kreuzschleife 17 nicht berührt.

Durch einen derartigen Aufbau wird erreicht, dass die Energiespeichereinrichtung 19 mit unterschiedlichen Kraftkennlinien betrieben werden kann.

Am Beispiel eines Roboterarmes kann die vorteilhafte Anwendung einer solchen einstellbaren Energiespeichereinrichtung zur Anpassung an unterschiedliche Nutzlasten verdeutlicht werden : Die Aufgabe des Roboterarmes sei der Transport einer Nutzlast von einer ersten Position in eine zweite Position und die anschließende Rückbewegung des Roboterarmes ohne eine Nutzlast in die erste Position. Bei der Parallelschaltung von zwei Federelementen 20 und 22 wird ein Gewichtsausgleich des Roboterarmes ohne eine Nutzlast erreicht, während bei einer Parallelschaltung aller drei Federelemente 20,21 und 22 ein Gewichtsausgleich für den Roboterarm mit der Nutzlast stattfindet.

Sobald der Roboter nun die Nutzlast greift oder ablegt, wird das Federelement 22 zwischen der inaktiven und der aktiven Stellung umgeschaltet.

Weiterhin kann die in Fig. 5 dargestellte Energiespeichereinrichtung 19 zur Unterstützung der Beschleunigungs-und Verzögerungsphase des bewegten Roboterelementes eingesetzt werden : Das Gewichtsmoment des Roboterarmes sowie eines gegebenenfalls am Roboterarm befestigten Werkzeuges sei durch die Wirkung der Energiespeichereinrichtung 19 mit zwei parallel geschalteten Federelementen 20 und 22 vollständig ausgeglichen. Wenn nun der Roboterarm entgegen der wirkenden Schwerkraft nach oben beschleunigt werden muss, kann zur Unterstützung dieser Beschleunigung das Federelement 21 in seine aktive Betriebsstellung gebracht werden. Somit liefert die Energiespeichereinrichtung 19 eine Kraft, die den Roboterarm entgegen der Schwerkraft nach oben bewegt und damit die Beschleunigung des Roboterarmes unterstützt.

Eine entsprechende Vorgehensweise gilt, wenn der Roboterarm in Richtung der Schwerkraft nach unten beschleunigt werden muss. In diesem Fall wird nun eines oder auch beide der Federelemente 20 und 22 in die inaktive Betriebsstellung gebracht. Damit wird die Wirkung des erfindungsgemäßen Gewichtsausgleichssystems vorübergehend aufgehoben, so dass die Erdbeschleunigung die Beschleunigung des Roboterarmes unterstützt.

Für den Fall der Verzögerung des Roboterarmes gelten analoge Überlegungen.

Bezugszeichenliste : 1 Roboter mit einem beweglichen Element und Gewichtsausgleichssystem 2 Roboter mit zwei beweglichen Elementen und zugeordneten Gewichtsausgleichssystemen 3 Basiselement des Roboters 4 erstes Roboterelement (Oberarm) 5 zweites Roboterelement (Unterarm) 6 erstes Gewichtsausgleichssystem (für Oberarm) 7 zweites Gewichtsausgleichssystem (für Unterarm) 8 erste Drehachse (für Oberarm) 9 erste Antriebseinrichtung (für Oberarm) 10 erstes Zahnrad 11 erste Mittelachse (für erstes Zahnrad) 12 zweites Zahnrad 13 zweite Mittelachse (für zweites Zahnrad) 14 Drehachse (für zweites Zahnrad) 15 Kurbel der Kreuzschleife 16 Koppelgelenk der Kreuzschleife 17 Schieber der Kreuzschleife 18 Führung der Kreuzschleife 19 Energiespeichereinrichtung 20 erstes Federelement 21 zweites Federelement 22 drittes Federelement 23 erste Verstelleinrichtung 24 zweite Verstelleinrichtung 25 dritte Verstelleinrichtung 26 zweite Drehachse (für Unterarm) 27 zweite Antriebseinrichtung (für Unterarm) 28 Übertragungsmechanismus 29 Lastarm 30 Kraftarm 31 Kraft