Die Erfindung betrifft einen Manipulatorarm für einen Roboter. Ferner betrifft die Erfin dung einen Roboter, umfassend zumindest einen solchen Manipulatorarm. Zudem wird die Verwendung eines Leiterplattenmotors in einem Manipulatorarm eines Robo ters vorgeschlagen.

Aus der DE 10 2015222 400 A1 geht eine Leiterplatte für einen Elektromotor hervor, mit einer Spule, die aus mindestens einer spiralförmig innerhalb einer Lage der Leiter platte verlaufenden Leiterbahn gebildet ist. Ein Spulenkern aus einem ferromagneti schen oder ferrimagnetischen Material ist vorgesehen, der sich in einer Richtung er streckt, die senkrecht zu der Lage angeordnet ist. Der Spulenkern ist vollständig in nerhalb der Leiterplatte angeordnet und gegenüber der Umgebung der Leiterplatte elektrisch isoliert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kompaktbauenden Ma nipulatorarm für einen Roboter vorzuschlagen, der eine höhere Traglast sowie eine größere Bewegungsgeschwindigkeit ermöglicht. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 . Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhän gigen Ansprüchen zu entnehmen.

Ein erfindungsgemäßer Manipulatorarm für einen Roboter umfasst einen Leiterplat tenmotor und ein Getriebe, wobei der Leiterplattenmotor eine Multilayer-Platine mit wenigstens einer ersten Solenoidspule aufweist, die vertikal übereinanderliegende Flachspulen umfasst, wobei die Flachspulen elektrisch in Reihe oder parallel geschal tet sind, wobei jeweils zwei vertikal benachbarte Flachspulen derart orthogonal ver setzt zueinander angeordnet sind, dass in einem Querschnitt lotrecht zur Oberfläche der Multilayer-Platine Leiterbahnabschnitte der einen Flachspule vertikal in teilweiser Überdeckung mit zwei Leiterbahnabschnitten der jeweils anderen Flachspule ange ordnet sind. Der Leiterplattenmotor sowie das Getriebe können beispielsweise in ei nem Manipulatorarmgelenk bzw. Roboterarmgelenk angeordnet sein, wobei zwei Ma nipulatorarmsegmente gelenkig miteinander verbunden sind. Der Leiterplattenmotor ist ein sogenannter bürstenloser PCB-Motor, im Englischen „printed-circuit-board mo- tor“, der einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei beispielsweise auf dem Rotor eine Mehrzahl von Permanentmagneten, die sich in ihrer Ausrichtung der Nord- und Südpole abwechseln, und auf dem Stator die Multilayer-Platine mit der jeweiligen Sol enoidspule, umfassend die übereinander gestapelten Flachspulen, angeordnet sind.

Unter einer Multilayer-Platine ist eine als Leiterplatte ausgebildete Mehrlagenplatine zu verstehen, die mehrere vertikal übereinanderliegende Ebenen aufweist, welche je weils mit als Flachspule ausgebildeten Leiterbahnen bestückt sind. Die jeweilige Sol enoidspule ist mit elektrischem Strom versorgbar, sodass der Rotor aufgrund des Stromflusses innerhalb der Leiterbahnen in eine Bewegung, insbesondere in eine Ro tationsbewegung versetzbar ist.

Alternativ ist jeweilige Solenoidspule der Multilayer-Platine auf dem Rotor angeordnet, welcher über das Getriebe zumindest mittelbar mit einem ersten Manipulatorarmseg ment des Manipulatorarms verbunden ist. Die jeweilige Solenoidspule wirkt mit we nigstens einem Permanentmagneten zusammen, der zumindest mittelbar auf einem Stator angeordnet ist, welcher zumindest mittelbar mit einem über ein mit einem Ge lenk mit dem ersten Manipulatorarm verbundenes zweites Manipulatorarm verbunden ist.

Der Leiterplattenmotor kann als Axialflussmotor oder als Radialflussmotor ausgebildet sein. Bei einem Radialflussmotor kann der Rotor wenigstens abschnittsweise radial innerhalb des Stators angeordnet sein, wobei das Magnetfeld radial zur Rotationsach se des Rotors ausgerichtet ist. Demgegenüber ist das Magnetfeld eines Axialflussmo tors axial zur Rotationsachse des Rotors ausgerichtet. Axialflussmotoren zeichnen sich durch eine hohe Drehmomentdichte aus, wodurch die Traglast des Manipula torarms verbessert wird.

Die verschiedenen die jeweilige Flachspule umfassenden Lagen der Multilayer-Platine sind im Wesentlichen mit bestrombaren Windungen ausgefüllt. Übereinanderliegende Windungen bilden jeweils eine Spule einer Phase des Motors. Die Flachspulen kön nen zunächst auf aus einem PCB-Substrat bestehenden Einzelplatinen bzw. Ein- zellayer aufgebracht werden, wobei die Einzelplatinen zur Bildung der Multilayer- Platine übereinandergestapelt sind. Insbesondere kann auf jeder Einzelplatine sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite jeweils eine Flachspule angeordnet sein, um die Anzahl der Einzelplatinen zu reduzieren und die Flachspulen mit geringerem vertikalen Abstand zueinander zu stapeln. Mit anderen Worten sind die Flachspulen in vertikaler Richtung beabstandet zueinander angeordnet.

Sind die vertikal übereinanderliegenden Flachspulen elektrisch in Reihe geschaltet, so sind elektrische Druckkontaktierungen vorgesehen, wobei jede einzelne Flachspule beispielsweise spiralförmig in ihrer jeweiligen Ebene gewickelt ist. Dabei ist von Vorteil eine erste Flachspule, die sich in der obersten oder untersten Ebene der Platine be findet, spiralförmig von innen nach außen zu wickeln. Die dazu vertikal benachbarte zweite Flachspule ist demgegenüber spiralförmig von außen nach innen gewickelt.

Die dritte Flachspule ist wiederum von innen nach außen gewickelt, und so weiter.

Unter einem spiralförmigen Verlauf der Windung ist in diesem Zusammenhang jede Art der Wicklung zu verstehen, bei der die einzelnen Windungen der Flachspule durch eine einzige planare Leiterbahn gebildet werden und sich in einer Ebene umschließen. Die Leiterbahnführung kann hierbei beispielsweise Rundungen aufweisen oder eckig verlaufen.

Durch die orthogonal bzw. lateral versetzte Anordnung der jeweils in vertikaler Rich tung benachbarten Flachspulen wird eine Wärmeleitfähigkeit der Multilayer-Platine verbessert. Mithin wird eine durch Bestromung der Solenoidspule erzeugte Wärme schneller nach außenabgeführt. Dazu sind Leiterbahnabschnitte der vertikal benach barten Flachspulen teilweise überdeckend bzw. überlappend zueinander angeordnet, sodass die in einer inneren Windung einer Flachspule entstehende Wärme ver gleichsweise leicht auf eine Windung einer vertikal und orthogonal benachbarten Flachspule übertragen werden, die in lateraler Richtung dem Rand der Multilayer- Platine näher ist. Vorzugsweise ist der Abstand der Leiterbahnabschnitte von Flach spulen, die vertikal in teilweiser Überdeckung stehen, geringer als der Abstand zweier Windungen, die in derselben Ebene der Leiterbahnplatine bzw. der Multilayer-Platine angeordnet sind. Der orthogonale Versatz der übereinanderliegenden Flachspulen hat zur Folge, dass der Querschnitt der Multilayer-Platine über seine gesamte Queraus dehnung mit Leiterbahnabschnitten durchsetzt ist. Der Wärmeübergang zwischen zwei Leiterbahnabschnitten findet hauptsächlich in vertikaler Richtung statt, wo auf- grund des geringen Abstandes zwischen den Flachspulen ein verhältnismäßig kleiner Wärmewiderstand herrscht.

Vorzugsweise weist die Multilayer-Platine mehrere Solenoidspulen auf, wobei alle So lenoidspulen gemäß der vorher beschriebenen Solenoidspule ausgebildet sind. Die Solenoidspulen sind dabei nebeneinander bzw. benachbart angeordnet, wobei die äußeren Leiterbahnabschnitte der benachbarten Flachspulen der beiden benachbar ten Solenoidspulen teilweise überdeckend angeordnet sein können, um den Wär metransport zur Oberfläche der Platine weiter zu verbessern. Eine solche Multilayer- Platine mit mehreren Solenoidspulen umfasst ein Primärteil als Platine auf, wobei die Solenoidspulen in Wirkverbindung mit einem Sekundärteil, auf dem die Permanent magnete angeordnet sind, steht. Zwischen der Multilayer-Platine mit den Solenoidspu len und den Permanentmagneten ist dabei ein Luftspalt ausgebildet.

Vorzugsweise ist die jeweilige Multilayer-Platine orthogonal zur Oberfläche der Mul tilayer-Platine von wenigstens einem Spulenkern durchsetzt ist. Der Spulenkern kann aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material ausgebildet sein und erstreckt sich bevorzugt senkrecht zur Ebene der jeweiligen Multilayer-Platine bzw. der Flachspulen. Durch den Spulenkern können der durch die jeweilige Solenoidspule erzeugte magnetische Fluss gebündelt und dadurch die magnetische Flussdichte er höht werden. Bei Verwendung der Leiterplatte in einem Elektromotor hat die Erhöhung der magnetischen Flussdichte zur Folge, dass sich die magnetische Kraftwirkung er höht. Der Leiterplattenmotor kann dadurch eine höhere Kraft bzw. ein größeres Dreh moment bereitstellen. Der Spulenkern ist vorzugsweise aus Eisen ausgebildet.

Ferner bevorzugt ist das Getriebe als Wellgetriebe, als Zykloidengetriebe oder als Planetengetriebe mit wenigstens einer Planetenradstufe ausgebildet.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass eine Steuereinheit zur Steue rung und Regelung des Leiterplattenmotors vorgesehen ist. Mit anderen Worten wer den die Flachspulen der jeweiligen Solenoidspule mit elektrischer Energie versorgt und versetzen dadurch die damit wirkverbundenen Permanentmagneten in eine Rela tivbewegung zur Spule, wodurch, wie zuvor beschrieben, die Manipulatorarmsegmen te relativ zueinander um das Manipulatorarmgelenk positioniert werden können. Vorzugsweise weist der Manipulatorarm wenigstens einen Winkelencoder zur Erfas sung eines Winkelposition des Manipulatorarms auf. Der Manipulatorarm kann mehre re Manipulatorarmsegmente aufweisen, die über jeweilige Gelenke miteinander ver bunden sind. Der Leiterplattenmotor kann zusammen mit dem Getriebe in einem der artigen Gelenk angeordnet sein, wobei der Manipulatorarm des Roboters mittels des Leiterplattenmotors und des Getriebes, die durch die Steuereinheit gesteuert und ge regelt werden, bewegbar ist sowie die relative Winkellage von zwei über das jeweilige Gelenk miteinander verbundenen Manipulatorarmsegmenten zueinander verstellbar ist. Die Bewegung des Manipulatorarms wird mittels des jeweiligen Winkelencoders überwacht, welcher die genaue Winkelposition des einen Manipulatorarmsegments zum anderen Manipulatorarmsegment erfassen kann. Der jeweilige Winkelencoder ist dazu mit der Steuerungseinheit verbunden.

Die Erfindung betrifft ferner einen Roboter, umfassend zumindest einen Manipula torarm der vorher beschriebenen Art. Der Manipulatorarm weist vorzugsweise einen oder mehrere Manipulatorarmsegmente auf, welche über ein jeweiliges Robotergelenk miteinander gelenkig verbunden sind. In dem Gelenk ist ein jeweiliger Antrieb, wenigs tens bestehend aus dem Leiterplattenmotor und dem Getriebe integriert. Vorzugswei se ist ferner ein Winkelencoder im Gelenk integriert. Die miteinander über das Gelenk verbundenen Roboterarmsegmente sind um eine Drehachse relativ zueinander ver stellbar. Mehrere Manipulatorarmsegmente bilden somit einen Manipulatorarm des Roboters aus. In diesem Sinne schlägt die Erfindung vor, einen Leiterplattenmotor in einem Manipulatorarm der vorher beschriebenen Art zu verwenden. Dadurch wird ei ne kostengünstige Herstellung des Manipulatorarms realisiert, wobei insbesondere die äußeren Maße, das Gewicht sowie die Trägheit des Manipulatorarms reduziert wer den. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Sicherheit des Roboters aus, dessen je weiliger Manipulatorarm durch die verbesserten Eigenschaften an Bewegungsschnel ligkeit sowie an Traglast zunimmt.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung zwei bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt Figur 1 eine stark schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Manipula torarms eines erfindungsgemäßen Roboters gemäß einer ersten Ausfüh rungsform,

Figur 2 ein Querschnitt durch eine Multilayer-Platine eines Leiterplattenmotors des Manipulatorarms gemäß Figur 1 , und

Figur 3 ein Querschnitt durch eine Multilayer-Platine des Leiterplattenmotors gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Gemäß Figur 1 ist ein Manipulatorarm 1 eines - hier nur teilweise dargestellten - Ro boters stark schematisiert und vereinfacht gezeigt. Der Manipulatorarm 1 weist vorlie gend ein horizontal angeordnetes Robotergelenk 17 mit zwei darüber gelenkig ver bundene Manipulatorarmsegmente 18a, 18b auf. Zur Positionierung des ersten Mani pulatorarmsegments 18a relativ zum zweiten Manipulatorarmsegment 18b ist am Ro botergelenk 17 des Manipulatorarms 1 ein Leiterplattenmotor 2 und ein Getriebe 3 angeordnet, wobei der Leiterplattenmotor 2 dazu eingerichtet ist, durch Bestromung eine Winkelposition des ersten Manipulatorarmsegments 18a relativ zum zweiten Ma nipulatorarmsegment 18b einzustellen.

Der Leiterplattenmotor 2 ist ein sogenannter PCB-Motor, der gemäß den Figuren 2 und 3 eine Multilayer-Platine 4 mit wenigstens einer Solenoidspule 5 aufweist, die mehrere vertikal übereinanderliegende Flachspulen 6, 7, 8, 9, 10, 11 umfasst. Die Multilayer-Platine 4 ist auf einem - nicht dargestellten - Stator oder - ebenfalls nicht dargestellten - Rotor angeordnet, welcher zumindest mittelbar mit einem der Manipu latorarmsegmente 18a, 18b drehfest verbunden ist. Am dem jeweils anderen Manipu latorarmsegment 18a, 18b sind demgegenüber eine Mehrzahl von - hier nicht gezeig ten - Permanentmagneten zumindest mittelbar angeordnet, welche durch einen Luft spalt beabstandet zur jeweiligen Solenoidspule 5 der Multilayer-Platine 4 angeordnet sind und infolge einer Bestromung des Leiterplattenmotors 2 bzw. der jeweiligen Sol enoidspule 5 und einem dadurch erzeugten Magnetfeld eine Rotation des Rotors rela tiv zum Stator bewirkt, sodass der erste Manipulatorarm 18a relativ zum zweiten Ma nipulatorarm 18b, oder umgekehrt, verstellt wird. Die Steuerung und Regelung der Stellbewegung des jeweiligen Manipulatorarmsegments 18a, 18b erfolgt durch eine am Manipulatorarm 1 angeordnete Steuereinheit 14.

Das Getriebe 3 fungiert als Untersetzungsgetriebe bzw. als Drehzahlminderer und ist vorliegend als Wellgetriebe ausgebildet. Alternativ kann das Getriebe 3 auch als Zyk loidengetriebe oder als Planetengetriebe mit wenigstens einer Planetenradstufe aus gebildet sein. Ferner ist am Manipulatorarm 1 im Bereich des Robotergelenks 17 ein Winkelencoder 15 zur Erfassung eines Winkelposition des ersten Manipula torarms 18a relativ zum zweiten Manipulatorarm 18b, oder umgekehrt, angeordnet. Der Winkelencoder 15 ist ebenfalls mit der Steuereinheit 14 verbunden, welche die detektierten Messgrößen verarbeitet und zur Steuerung bzw. Regelung der Stellbe wegung des Manipulatorarms 1 nutzt.

Der Leiterplattenmotor 2 weist gemäß Figur 2 eine Multilayer-Platine 4 mit einer Sol enoidspule 5 auf, die sechs vertikal übereinanderliegende Flachspulen 6, 7, 8, 9, 10,

11 umfasst. Die erste und zweite Flachspule 6, 7, die dritte und vierte Flachspule 8, 9 sowie die fünfte und sechste Flachspule 10, 11 sind jeweils auf einem - hier nicht ge zeigten - Einzellayer aufgedruckt, wobei die Einzellayer zur Ausbildung der Multilayer- Platine 4 gestapelt sind. Die Einzellayer sind Einzelplatinen, die jeweils aus einem PCB-Substrat („Printed-Circuit-Board“-Substrat) bestehen. Mit anderen Worten ist auf einer Oberseite des jeweiligen Einzellayers die erste, dritte bzw. fünfte Flachspule 6,

8, 10 angeordnet, wobei auf der jeweiligen Unterseite des jeweiligen Einzellayers die zweite, vierte bzw. sechste Flachspule 7, 9, 11 angeordnet ist. Die Flachspulen 6, 7,

8, 9, 10, 11 sind elektrisch miteinander verschaltet, wobei je nach Anforderung an den Leiterplattenmotor 2 einzelne oder mehrere Flachspulen 6, 7, 8, 9, 10, 11 elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden können.

In vertikaler Richtung unmittelbar benachbarte Flachspulen 6, 7, 8, 9, 10, 11 sind in orthogonaler bzw. in Querrichtung zueinander versetzt angeordnet, wobei dadurch ein erster Leiterbahnabschnitt 12 der zweiten Flachspule 7 vertikal in teilweiser Überde ckung einerseits mit zwei Leiterbahnabschnitten 13 der ersten Flachspule 6 und ande rerseits mit zwei Leiterbahnabschnitten 13 der dritten Flachspule 8 angeordnet ist. Mit anderen Worten sind jeweils zwei vertikal benachbarte Flachspulen 6, 7, 8, 9, 10, 11 derart orthogonal bzw. lateral versetzt zueinander angeordnet, dass in einem Quer- schnitt lotrecht zur Oberfläche 19a, 19b der Multilayer-Platine 4 Leiterbahnabschnit te 12 der einen Flachspule 6, 7, 8, 9, 10, 11 vertikal in teilweiser Überdeckung mit zwei Leiterbahnabschnitten 13 der jeweils anderen Flachspule 6, 7, 8, 9, 10, 11 ange ordnet sind. Da dadurch in vertikaler Richtung ein geringerer Abstand zwischen den Windungen der benachbarten Flachspulen 6, 7, 8, 9, 10, 11 erreicht wird, wird ein Wärmetransport zu den Oberflächen 19a, 19b der Platine 4 verbessert. Die Abstände zwischen den Flachspulen 6, 7, 8, 9, 10, 11 in vertikaler Richtung ist abhängig von der Dicke des PCB-Substrats der Einzellayer.

Nach einer alternativen Ausführungsform gemäß Figur 3 weist die Multilayer-Platine 4 zwei Solenoidspulen 5a, 5b auf, die nebeneinander angeordnet sind. Die erste Sol enoidspule 5a, die in der vorliegenden Abbildung links angeordnet ist, umfasst sechs vertikal übereinander liegende Flachspulen 6, 7, 8, 9, 10, 11, die gemäß Figur 2 an geordnet sind. Diese Flachspulen 6, 7, 8, 9, 10, 11 sind kammartig in die unmittelbar lateral benachbarte zweite Solenoidspule 5b, die in der vorliegenden Abbildung rechts angeordnet ist, mit ebenfalls sechs Flachspulen 6a, 7a, 8a, 9a, 10a, 11a ein. Der Ein griff entsteht im Bereich der jeweils äußeren Leiterbahnabschnitte 20a, 20b. Mit ande ren Worten ist jeweils ein äußerer Leiterbahnabschnitt 20a der ersten Solenoidspu le 5a mit mindestens einem äußeren Leiterbahnabschnitt 20b der zweiten Solenoid spule 5b vertikal in teilweiser Überdeckung angeordnet. Dadurch wird ein Wär metransport zwischen den beiden Solenoidspulen 5a, 5b sowie zur Oberfläche 19a, 19b besonders effektiv realisiert. Im Übrigen erfolgt der Wärmeübertrag analog zu der Solenoidspule 5 gemäß Figur 2. Somit kann auf einfache Art und Weise eine Vielzahl von Solenoidspulen 5 nebeneinander angeordnet werden, wobei zwischen den be nachbarten Solenoidspulen 5 stets eine ausreichende Überdeckung der Leiterbahn abschnitte zur Verbesserung des thermischen Verhaltens gewährleistet wird.

Die Multilayer-Platine 4 ist orthogonal zur Oberfläche 19a, 19b der Multilayer-Platine 4 von einem Spulenkern 16 durchsetzt. Der Spulenkern 16 ist vorliegend aus Eisen ausgebildet und erstreckt sich senkrecht zu den Oberflächen 19a, 19b durch die Mul tilayer-Platine 4 hindurch. Durch den Spulenkern 16 kann der durch die Solenoidspu len 5a, 5b erzeugte magnetische Fluss gebündelt und dadurch die magnetische Flussdichte erhöht werden. Bezuqszeichenliste

1 Manipulatorarm

2 Leiterplattenmotor

3 Getriebe

4 Multilayer-Platine

5 Solenoidspule

5a Erste Solenoidspule

5b Zweite Solenoidspule

6 Erste Flachspule der ersten Solenoidspule

6a Erste Flachspule der zweiten Solenoidspule

7 Zweite Flachspule der ersten Solenoidspule

7a Zweite Flachspule der zweiten Solenoidspule

8 Dritte Flachspule der ersten Solenoidspule

8a Dritte Flachspule der zweiten Solenoidspule

9 Vierte Flachspule der ersten Solenoidspule

9a Vierte Flachspule der zweiten Solenoidspule

10 Fünfte Flachspule der ersten Solenoidspule 10a Fünfte Flachspule der zweiten Solenoidspule 11 Sechste Flachspule der ersten Solenoidspule 11a Sechste Flachspule der zweiten Solenoidspule 12 Erster Leiterbahnabschnitt

13 Zweiter Leiterbahnabschnitt

14 Steuereinheit

15 Winkelencoder

16 Spulenkern 17 Robotergelenk

18a, 18b Manipulatorarm segment 19a, 19b Oberfläche der Multilayer-Platine 20a, 20b Äußerer Leiterbahnabschnitt