WO2023016782A1

WO2023016782A1 - Kopplungseinrichtung für einen roboter, kopplungsteileinrichtung hierfür sowie roboter mit einer kopplungseinrichtung

Info

Publication number: WO2023016782A1
Application number: PCT/EP2022/070719
Authority: WO
Inventors: Maximilian Faaß
Original assignee: Robco GmbH
Current assignee: Robco GmbH
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2022-07-23
Publication date: 2023-02-16
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: DE102021121113B8; DE102021121113B3

Abstract

Bekannt ist eine Kopplungseinrichtung (10) für einen Roboter zur Kopplung zweier Roboter-Segmente (104, 110, 112, 114, 116, 118), die zwei Kopplungsteileinrichtungen (20, 50) auf-weist, die jeweils fest mit einem Roboter-Segment (104, 110, 112, 114, 116, 118) verbindbar sind und die zur lösbaren Kopplung aneinander in einer Kopplungsrichtung (2) ausgebildet sind. Eine erste Kopplungsteileinrichtung (20) verfügt über ein Gehäuse (22) mit einer Anlage-fläche (24) sowie über eine Mehrzahl von Kopplungsstiften (26), die über die Anlagefläche (24) hinausragen. Eine zweite Kopplungsteileinrichtung (50) verfügt über ein Gehäuse (52) mit ei-ner Anlagefläche (54) sowie über eine Mehrzahl von Kopplungsausnehmungen (56) zur Auf-nahme der Kopplungsstifte (26). Es wird vorgeschlagen, dass zur Verriegelung der Kopplungsteileinrichtungen (20, 50) ein Steuerglied (70) vorgesehen ist, welches durch das Gehäuse (52) der zweiten Kopplungstei-leinrichtung (50) geführt und in einer zur Kopplungsrichtung (2) orthogonalen Steuergliedrich-tung (4) zwischen einer freigebenden Endlage und einer verriegelnden Endlage translativ ver-lagerbar ist. An einander gegenüberliegenden Randbereichen (60A, 60B) des Gehäuses (52) ist jeweils mindestens ein Verriegelungskörper (90) vorgesehen, der in einer von der Steuer-gliedrichtung (4) abweichenden Verriegelungskörperrichtung (6) geführt verlagerbar ist. An ei-ner Außenseite des Steuergliedes (70) sind mindestens zwei gegenüber der Steuergliedrich-tung (4) angewinkelte Steuerflächen (74) vorgesehen, mittels derer die Verriegelungskörper (90) soweit verlagerbar sind, dass sie in die Kopplungsausnehmungen (56) und die dort ange-ordneten Verriegelungsaussparungen (27) der Kopplungsstifte (26) einrücken.

Description

Kopplungseinrichtung für einen Roboter, Kopplunqsteileinrichtunq hierfür sowie Roboter mit einer Kopplungseinrichtung

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft eine Kopplungseinrichtung für einen Roboter zur Kopplung zweier Roboter-Segmente, insbesondere für einen Industrieroboter zur Handhabung von Werkstücken.

In der industriellen Fertigung und Montage verwendete Roboter weisen meist einen Roboterarm auf, dessen proximales Ende an einer ortsfesten oder mittels eines Schlittens verschieblichen Basis angebracht ist und an dessen distalem Ende üblicherweise ein Werkzeug angebracht ist. Der Roboterarm besteht üblicherweise aus mehreren Segmenten, die gegeneinander motorisch beweglich sind.

Bekannt sind modulare Roboter, bei denen die genannten Roboter-Segmente vergleichsweise einfach gewechselt werden können, um den Roboter fallweise für anfallende Aufgaben spezifisch konfigurieren zu können.

Die bekannten Kopplungseinrichtungen für solche modularen Roboter bestehen aus zwei Kopplungsteileinrichtungen, die durch einen zusätzlich angebrachten Klemmring aneinandergedrückt werden.

AUFGABE UND LÖSUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kopplungseinrichtung insbesondere für die Roboter-Segmente modularer Roboter zur Verfügung zu stellen, die unkompliziert und schnell in einen Freigabezustand und einen Kopplungszustand überführbar ist und die bei hoher Relativlagenpräzision zur Übertragung vergleichsweise großer Kräfte und Momente ausgebildet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß eine Kopplungseinrichtung bzw. die hierzu gehörenden zwei Kopplungsteileinrichtungen vorgeschlagen. Die Kopplungsteileinrichtungen der Kopplungseinrichtung sind jeweils fest mit einem Roboterarm-Segment verbindbar oder bereits im Lieferzustand der Roboterarm-Segmente mit diesen fest verbunden und nur unter Verwendung von Werkzeug lösbar. Diese Kopplungsteileinrichtungen dienen der lösbaren Kopplung der Roboterarm-Segment aneinander, wobei sie hierfür in einer Kopplungsrichtung gekoppelt werden. Eine erste Kopplungsteileinrichtung verfügt über ein Gehäuse mit einer Anlagefläche sowie über eine Mehrzahl von Kopplungsstiften, die über die Anlagefläche hinausragen.

Korrespondierend dazu weist eine zweite Kopplungsteileinrichtung ebenfalls ein Gehäuse mit einer Anlagefläche auf. Die beiden Anlageflächen weisen aufeinander zu und liegen im gekoppelten Zustand der Kopplungsteileinrichtungen zumindest teilweise aneinander an, um Kräfte und Momente übertragen zu können. Die zweite Kopplungsteileinrichtung weist weiterhin eine Mehrzahl von Kopplungsausnehmungen zur Aufnahme der Kopplungsstifte auf.

Zur Kopplung der beiden Kopplungsteileinrichtungen werden diese in Kopplungsrichtung aufeinander zu bewegt, wobei die vorzugsweise konischen oder zylindrischen Kopplungsstifte in die Kopplungsausnehmungen einrücken.

Zum Zwecke der Verriegelung der Kopplungsteileinrichtung im gekoppelten Zustand weisen die Kopplungsstifte zwischen einem zur Anlagefläche weisenden proximalen Ende und einem von der Anlagefläche weg weisenden distalen Ende eine seitliche Verriegelungsaussparung auf, die in nachfolgend noch erläuterter Weise eine Verriegelung bewirkt und somit einer Entkopplung der Kopplungsteileinrichtungen entgegenwirkt. Die Verriegelungsaussparungen sind vorzugsweise in Art konkav eingewölbter Vertiefungen ausgebildet.

Die zweite Kopplungsteileinrichtung weist ein Steuerglied auf, welches durch das Gehäuse geführt ist und mittels dessen ein Verriegelungszustand herstellbar ist.

Das Steuerglied ist vorzugsweise als längliches oder stangenähnliches Bauteil ausgebildet. Das Steuerglied ist in einer zur Kopplungsrichtung orthogonalen Steuergliedrichtung relativ zum Gehäuse der zweiten Kopplungsteileinrichtung zwischen einer freigebenden Endlage und einer verriegelnden Endlage translativ verlagerbar.

An einander, bezogen auf die Steuergliedrichtung, gegenüberliegenden Randbereichen des vorzugsweise mit einer runden Außenform versehenen Gehäuses ist jeweils mindestens ein Verriegelungskörper vorgesehen, der in einer von der Steuergliedrichtung abweichenden Verriegelungskörperrichtung geführt verlagerbar. Vorzugsweise sind die Verriegelungskörper in Verriegelungskörperkanälen im Gehäuse geführt, die von einem Steuergliedkanal abgehen, innerhalb dessen das Steuerglied geführt ist. Die Verriegelungskörperkanäle sind vorzugsweise als Bohrungen in das Gehäuse eingebracht und vorzugsweise endseitig mittels Stopfen verschlossen. Je nach Ausrichtung der Verriegelungskörperkanäle können auch Verriegelungskörperkanäle zweier Verriegelungskörper durch eine gemeinsame Bohrung gebildet sein. Die Steuergliedrichtung und die Verriegelungskörperrichtung sind vorzugweise orthogonal zueinander ausgerichtet. Es sind jedoch auch abweichende Richtungen möglich, was bei der Anordnung der Kopplungsausnehmungen eine höhere Flexibilität gestatten kann. Vorzugsweise schließen die Steuergliedrichtung und die Verriegelungskörperrichtung einen Winkel zwischen 70° und 110° ein.

Vorzugsweise sind nicht nur zwei, sondern vier Verriegelungskörper vorgesehen, von denen jeweils zwei an den gegenüberliegenden Randbereichen angeordnet sind, jeweils einer linksseitig und einer rechtsseitig des Steuergliedes.

An einer Außenseite des Steuergliedes sind mindestens zwei Steuerflächen vorgesehen, die bezogen auf die Steuergliedachse gegeneinander versetzt sind, also unterschiedlich weit von einem proximalen Ende des Steuergliedes entfernt. Jeweils mindestens eine Steuerfläche ist in jedem der beiden gegenüberliegenden Randbereichen vorgesehen. Im Falle von vier Verriegelungskörpern sind im Bereich beider Randbereiche jeweils zwei Steuerflächen vorgesehen, die einander gegenüberliegend an beiden Seiten des Steuergliedes angeordnet sind.

Die Steuerflächen sind zumindest abschnittsweise gegenüber der Steuergliedrichtung angewinkelt. Eine translative Verlängerung des Steuergliedes und damit der Steuerflächen führt damit dazu, dass sich im Bereich der Verriegelungskörper der Außendurchmesser des Steuergliedabschnitts gleichsam ändert.

Dadurch sind die Verriegelungskörper mittels der Steuerflächen des Steuergliedes verlagerbar. Befindet sich das Steuerglied in seiner verriegelnden Endlage, so drücken die Steuerflächen die Verriegelungskörper in die Kopplungsausnehmungen und die dort angeordneten Verriegelungsaussparungen der Kopplungsstifte hinein. Befindet sich das Steuerglied in seiner freigebenden Endlage, so können die Verriegelungskörper aus den Kopplungsausnehmungen zumindest soweit herausgeschoben werden, dass die Kopplungsstifte wiederum aus den Kopplungsausnehmungen herausgezogen werden und die beiden Kopplungsteileinrichtungen somit voneinander getrennt werden können.

Die Steuerflächen weisen vorzugsweise mindestens zwei Teilbereiche mit unterschiedlichen Steigungen gegenüber der Steuergliedrichtung auf. Insbesondere kann die Steigung in einem ersten Teilbereich mehr als 30°, insbesondere mehr als 45°, betragen, so dass die Verlagerung des Steuergliedes in Richtung seiner verriegelnden Endlage zunächst eine vergleichsweise starke Verlagerung des Verriegelungskörpers bewirkt. In einem zweiten Teilbereich liegt die Steigung vorzugsweise bei weniger als 30°, insbesondere bei weniger als 15°, um gegen Ende der Verlagerung des Steuergliedes nur noch eine geringe Verlagerung des Verriegelungskörpers bei hoher Kraftwirkung zu bewirken und insbesondere vorzugsweise hierdurch Selbsthemmung eintreten zu lassen, so dass eine auf den Verriegelungskörper in seiner verriegelnden Endlage wirkende Kraft nicht mittelbar das Steuerglied verlagern kann.

Mittels des zentralen Steuergliedes werden gleichzeitig mehrere Kopplungsstifte verriegelt, wobei diese exzentrisch zu einer Mittelachse des Gehäuses und vorzugsweise punktsymmetrisch zu dieser angeordnet sind. Durch die Exzentrizität der Anordnung der Kopplungsstifte lässt sich eine besonders hohe Präzision bei der Kopplung sowie die sichere Aufnahme von Knickmomenten im Bereich der Kopplungseinrichtung erzielen.

Das Gehäuse kann im Bereich des Steuergliedes durch einen vollzylindrischen Abschnitt gebildet sein. Bevorzugt ist jedoch eine Gestaltung, bei der das Gehäuse der zweiten Kopplungsteileinrichtung stattdessen einen ringförmigen Abschnitt mit einer insbesondere zentrischen Aussparung aufweist.

Die einander gegenüberliegenden Randbereiche des Gehäuses sind beidseitig der zentrischen Aussparung vorgesehen, also bezogen auf die Steuergliedrichtung vor und hinter der Aussparung vorgesehen.

Die Aussparung kann insbesondere der Durchführung von Kabeln und Leitungen dienen. Um eine große Aussparung erzielen zu können, kann es von Vorteil sein, wenn das Steuerglied beidseitig der zentrischen Aussparung im Gehäuse gelagert ist, zwischen den Lagerbereichen jedoch die zentrische Aussparung frei überspannt.

Die Aussparung wird vorzugsweise auch zur Anordnung eines Schnittstellenmodul der Kopplungsteileinrichtung genutzt. Beide Kopplungsteileinrichtungen verfügen vorzugsweise über ein Schnittstellenmodul, wobei die Schnittstellenmodule im gekoppelten Zustand der Kopplungsteileinrichtungen Signalleitungen, Stromleitungen und/oder Fluidleitungen der beiden Kopplungsteileinrichtung miteinander verbinden. Vorzugsweise ist das Schnittstellenmodul der zweiten Kopplungsteileinrichtung zumindest teilweise in der zentrischen Aussparung des Gehäuses angeordnet. Die zentrische Aussparung erstreckt sich vorzugsweise bis zur Anlagefläche. Hier kann eine Platine des Schnittstellenmoduls zur Kopplungsrichtung orthogonal ausgerichtet angeordnet sein. Die außenseitige Oberfläche der Platine schließt dabei vorzugsweise weitgehend bündig mit der Anlagefläche ab und ist vorzugsweise um nicht mehr als 2 mm in Kopplungsrichtung von der Ebene der Anlagefläche beabstandet. Das Schnittstellenmodul ist insbesondere vorgesehen, um elektrische Verbindungen zu schaffen zur Übertragung von Daten und/oder elektrischer Energie zur Ansteuerung von Sensoren und Aktoren. Vorzugsweise sind hierfür an den beiden Schnittstellenmodulen insbesondere federnd auslenkbare Kontaktflächen vorgesehen, die im gekoppelten Zustand der Kopplungsteileinrichtungen aneinander anliegen.

Die Kopplungseinrichtung kann einen Stellmotor aufweisen, um das Steuerglied zwischen seinen Endlagen zu verlagern. Bevorzugt ist allerdings eine manuelle Steuergliedverlagerung. Zu diesem Zweck ist an der Außenseite des Gehäuses der zweiten Kopplungsteileinrichtung eine Verriegelungshandhabe vorgesehen. Diese Verriegelungshandhabe erlaubt die Verlagerung des Steuergliedes in Steuergliedrichtung, vorzugsweise gegen die Kraft eine Rückstellfeder.

Eine Möglichkeit, dies zu realisieren, liegt in einem von außen durch Drehen eines Stellgliedes antreibbaren Gewindetrieb. Bevorzugt ist allerdings die Ausgestaltung der Verriegelungshandhabe als Schwenkhebel. Ein solcher Schwenkhebel ist vorzugsweise um eine zur Kopplungsrichtung orthogonale Schwenkhebelachse verschwenkbar. Es weist vorzugsweise eine freie Länge von mindestens 15 cm auf, um sicher ergriffen werden zu können.

Befindet der Schwenkhebel sich in einer Freigabeschwenkstellung, so führt dies zu einer Anordnung des Steuergliedes in der freigebenden Endlage. Befindet der Schwenkhebel sich in einer Verriegelungsschwenkstellung, so führt dies zu einer Anordnung des Steuergliedes in der verriegelnden Endlage.

Die Umsetzung der Schwenkbewegung des Schwenkhebels in die translative Bewegung des Steuergliedes kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Eine Möglichkeit sieht vor, dass der Schwenkhebel und das Steuerglied über einen Kniehebel oder eine Kraftübertragungsstange wirkverbunden sind. Bevorzugt ist jedoch eine Variante, bei der am Schwenkhebel eine Exzenternocke vorgesehen ist, deren Außenseite gegenüber der Schwenkhebelachse uneinheitlich beabstandet ist, so dass diese Außenseite beim Verschwenken des Schwenkhebels das Steuerglied in Richtung seiner verriegelnden Endlage drückt.

In der Verriegelungsschwenkstellung befindet sich der Schwenkhebel vorzugsweise in einer Übertotpunktlage. Dies bedeutet, dass ein Verschwenken des Schwenkhebels aus der Verriegelungsschwenkstellung in Richtung der Freigabeschwenkstellung eine zwischenzeitliche Verlagerung des Steuergliedes in Richtung seiner verriegelnden Endlage bewirkt, vorzugsweise gegen die Kraft der Rückstellfeder. Hierdurch wird erreicht, dass betriebsbedingte Erschütterungen nicht zu einem ungewollten Verschwenken des Schwenkhebels in Richtung seiner Freigabeschwenkstellung führen. Zusätzlich kann der Schwenkhebel mit einem zusätzlichen Arretiermittel gesichert sein, beispielsweise einer Arretierschraube.

Von Vorteil ist es, wenn der Schwenkhebel an seinem distalen Ende einen nach innen gerichteten Endabschnitt aufweist, vorzugsweise in Art einer zum Gehäuse hinweisenden Krümmung. Zur Aufnahme des Endabschnitts ist vorzugsweise an einer Außenseite des Gehäuses eine Aussparung vorgesehen. Die Formgebung und ggf. die Aussparung dienen dem Zweck, am Roboter außenseitig vorgesehene Leitungen oder Schläuche im Betrieb am Schwenkhebel entlang gleiten können zu lassen, ohne dass diese unbeabsichtigt den Schwenkhebel untergreifen und gegebenenfalls in Richtung seiner Freigabeschwenkstellung momentenbeauf- schlagen können.

In der verriegelnden Endlage des Steuergliedes werden die Verriegelungskörper vom Steuerglied nach außen und damit in die Verriegelungsaussparungen der Kopplungsstifte hineingedrückt. Bevorzugt ist es, dass diese Verriegelungskörper als Kugeln ausgebildet sind. Kugeln stellen eine besonders einfache und besonders günstige Möglichkeit dar, wenngleich auch andere, insbesondere längliche, Verriegelungskörper möglich sind.

Im Falle von Kugeln ist vorzugsweise vorgesehen, dass die korrespondierenden Steuerflächen am Steuerglied auch konkav ausgebildet sind, also in einem zur Steuergliedrichtung orthogonalen Schnitt durch das Steuerglied zumindest abschnittsweise eine konkave Formgebung aufweisen. Der Krümmungsradius der konkaven Formgebung weist dabei einen Krümmungsradius auf, der geringfügig größer als der Radius der Kugel ist, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 2 mm größer. Auf diesem Wege lässt sich eine bessere Kraftübertragung bei vergleichsweise geringerer hertzscher Pressung erzielen.

Vorzugsweise weist die Kopplungseinrichtung zusätzlich zu den Kopplungsstiften und zu den Kopplungsausnehmungen eine Zentriereinrichtung auf, um eine präzise Relativlage der Kopplungsteileinrichtungen im gekoppelten Zustand zu gewährleisten. Die Zentriereinrichtung umfasst vorzugweise zwei Passstifte und zwei korrespondierende Zentrierausnehmungen.

Beim Koppeln werden die Passstifte in die Zentrierausnehmungen eingeschoben, wobei vorzugsweise zumindest einer der Passstifte nicht in die für ihn nicht vorgesehene Zentrierausnehmung hineinpasst, so dass die zwei Passstifte und die zwei korrespondieren Zentrierausnehmungen vertauschungssicher einander eindeutig zugeordnet sind. Mittels der Passstifte oder auch mittels anderweitigen Elementen der Kopplungsteileinrichtungen kann erreicht werden, dass die Kopplungsteileinrichtungen nur in einer Drehstellung miteinander koppelbar sind. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn auch die Schnittstellenmodule eine definierte Drehstellung zur korrekten Verbindung der Leitungen miteinander erforderlich machen.

Insbesondere zum Schutz der Schnittstellenmodule ist ein Innenbereich der Kopplungseinrichtung vorzugsweise gegen Verschmutzung isoliert. Hierzu kann insbesondere an der Anlagefläche mindestens einer Kopplungsteileinrichtung eine umlaufende Dichtung zur Anlage an der anderen Kopplungsteileinrichtung vorgesehen sein. Gegen das Eindringen von Schmutz im Bereich des Steuergliedes kann vorgesehen sein, dass zwischen einer Innenwandung eines Steuergliedkanals, in dem das Steuerglied geführt ist, und einer Außenseite des Steuerglieds mindestens eine Dichtung, insbesondere ein O-Ring, vorgesehen ist.

Neben der Kopplungseinrichtung als Ganzes umfasst die Erfindung auch die beiden oben erläuterten Kopplungsteileinrichtungen jeweils in Alleinstellung.

Insbesondere können einzelne Kopplungsteileinrichtungen an einem Ende oder zwei Enden eines Roboterarm-Segments oder an mindestens einem Flansch eines Robotermotor-Segments vormontiert vorgesehen sein, so dass derartige Segmente schnell gekoppelt werden können, um einen für den Einzelfall passenden Roboter hierdurch zusammenzustellen.

Roboterarm-Segmente verfügen vorzugsweise über einen länglichen Segmentkörper, der vorzugsweise eine Länge von mindestens 20 cm, insbesondere vorzugweise von mindestens 40 cm aufweist. Die Enden des Segmentkörpers sind zueinander ortsfest. An beiden Enden ist vorzugsweise eine Kopplungsteileinrichtung vorgesehen, insbesondere vorzugsweise an einem Ende eine erste Kopplungsteileinrichtung und am gegenüberliegenden Ende eine zweite Kopplungsteileinrichtung.

Robotermotor-Segmente verfügen über einen Elektromotor. Die Segmente weisen einen Anbringungsflansch und Abtriebsflansch auf, wobei die Relativstellung durch den Elektromotor verstellbar ist.

Weiterhin umfasst die Erfindung den Gesamtroboter. Als Basis umfasst dieser vorzugsweise einen Roboterfuß oder Roboterschlitten, an dem ein Roboterarm angebracht ist. Die Verbindung zwischen den Roboterarm-Segmenten und/oder den Robotermotor-Segmenten bzw. mit der Basis erfolgt mittels einer Kopplungseinrichtung der beschriebenen Art. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend an-hand der Figuren erläutert sind.

Fig. 1 zeigt einen Roboter, der aus mehreren Roboter-Segmenten zusammengesetzt ist, die mittels Kopplungseinrichtungen verbunden sind.

Fig. 2A und 2B zeigen eine Kopplungseinrichtung aus zwei Perspektiven.

Fig. 3 und 4 zeigen die zwei Kopplungsteileinrichtung der Kopplungseinrichtung in separater Darstellung.

Fig. 5A und 5B zeigen den Freigabezustand und den Verriegelungszustand der Kopplungsteileinrichtungen anhand eines Schnittes durch die zweite Teileinrichtung.

Fig. 6 und 7 zeigen den Aufbau des Steuergliedes der Kopplungseinrichtung.

Fig. 8A und 8B zeigen in schematischer Darstellung eine alternative Gestaltung der Kopplungseinrichtung.

Fig. 9 zeigt einen Verriegelungskörper für die alternative Kopplungseinrichtung gemäß Figur 8A und 8B.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt einen Roboter, beispielsweise zur Verwendung in der Fertigung oder der Qualitätskontrolle. Der Roboter 100 ist als modularer Roboter ausgebildet. Er weist neben einer ortsfest installierten Basis 102 insgesamt fünf Motor-Segmente 110, 112, 114, 116, 118 sowie ein längliches Roboterarm-Segment 104 auf. Die Segmente sind über Kopplungseinrichtungen 10 miteinander verbunden. Bei den Kopplungseinrichtungen handelt es sich um manuell zu betätigende Kopplungseinrichtungen, die mittels eines Handgriffs gelöst werden können und die daher das schnelle manuelle Aufbauen und Umrüsten des Roboters 100 gestatten.

Die Fig. 2A und 2B zeigen die Kopplungseinrichtung 10 in ihrer Gesamtheit von gegenüberliegenden Seiten aus. Die Kopplungseinrichtung 10 besteht aus zwei Kopplungsteileinrichtungen 20, 50, die in einer Kopplungsrichtung 2 koppelbar und entkoppelbar sind. Um im gekoppelten Zustand die Kopplungsteileinrichtungen 20, 50 zu verriegeln, ist ein Schwenkhebel 80 vorgesehen, der um eine zur Kopplungsrichtung 2 parallele Schwenkhebelachse 8 verschwenkbar ist. Die beiden im gekoppelten Zustand nach außen weisenden Stirnflächen der Kopplungsteileinrichtungen 20, 50 sind mit Befestigungsbolzen 21 , 51 versehen, um hiermit an einem Kopplungsbereich der Roboter-Segmente dauerhaft befestigt zu werden.

Beide Kopplungsteileinrichtungen 20, 50 verfügen über Schnittstellenmodule 30, 64. Diese sind im gekoppelten Zustand der Kopplungsteileinrichtungen 20, 50 in Kontakt miteinander, um elektrische Leistung, Daten und/oder Fluide zu übertragen. Die Schnittstellenmodule sind jeweils im Bereich einer zentrischen Aussparung 62, 23 angeordnet.

Die Fig. 3 zeigt die erste Kopplungsteileinrichtung 20 in separater Darstellung. Die Kopplungsteileinrichtung 20 verfügt über ein Gehäuse 22 mit einer Anlagefläche 24, die außenseitig mit einem Dichtring versehen ist. In der Mitte der Anlagefläche 24 ist das Schnittstellenmodul 30 mit seinen Kontaktflächen 32 angeordnet. Umgeben wird das Schnittstellenmodul 30 von der ringförmig ausgestalteten Anlagefläche 24, die an zwei gegenüberliegenden Randbereichen 60A, 60B jeweils zwei Kopplungsstifte 26 aufweist. Diese Kopplungsstifte 26 sind jeweils mit aufeinander zu weisenden Verriegelungsaussparungen 27 versehen. Zusätzlich sind noch zwei Passstifte 28A, 28B an der Anlagefläche 24 vorgesehen, wobei der Passstift 28B eine Vierkantform und der Passstift 28A eine runde Form geringeren Querschnitts aufweist.

Die zweite Kopplungsteileinrichtung 50, die in Fig. 4 dargestellt ist, verfügt über ein Gehäuse 52, dessen Stirnseite ebenfalls eine Anlagefläche 54 bildet. Korrespondierend mit den Kopplungsstiften 26 und den Passstiften 28A, 28B verfügt die zweite Kopplungsteileinrichtung über Kopplungsausnehmungen 56 sowie Zentrierausnehmungen 68A, 68B.

Beim Koppeln der Kopplungsteileinrichtungen 20, 50 werden die Ausnehmungen 56, 68A, 68B in der einzig möglichen Relativdrehstellung auf die Stifte 26, 28A, 28B aufgeschoben. Hierbei geraten die Kontaktflächen 32, 66 der Schnittstellemodule 30, 64 in Kontakt miteinander.

In diesem vorgekoppelten Zustand wird dann in der durch die Fig. 5A und 5B verdeutlichten Weise der Verriegelungszustand hergestellt. Hierfür wird ausgehend vom Zustand der Fig. 5A der Schwenkhebel 80 im Uhrzeigersinn um die Schwenkhebelachse 8 verschwenkt. Hierdurch wird die Exzenterknocke 82 des Schwenkhebels 80 mitverschwenkt und übt daher eine Kraft auf eine Gegenfläche 72 des Steuergliedes 70 aus. Das Steuerglied 70 wird hierdurch gegen die Kraft einer Rückstellfeder 76 translativ entlang der Steuergliedrichtung 4 verlagert. Hierbei werden die Verriegelungskörper 90 in Form von Kugeln durch am Steuerglied 70 vorgesehene Steuerflächen 74 in Verriegelungskörperrichtung 6 nach außen gedrückt. Sie fahren hierdurch in die Verriegelungsaussparungen 27 der Kopplungsstifte 26 ein und verriegeln somit die Kopplungsstifte 26 in den Kopplungsausnehmungen 56.

Wird ausgehend vom Zustand der Fig. 5B der Schwenkhebel 80 zurück in die Freigabeschwenkstellung der Fig. 5A verlagert, so drückt die Rückstellfeder das Steuerglied 70 wieder in seine freigebende Endlage der Fig. 5A. Nun können die Kopplungsstifte 26 wieder aus den Kopplungsausnehmungen 56 herausgezogen werden und die Kopplungsteileinrichtungen 20, 50 wieder getrennt werden, um den entkoppelten Zustand zu erzielen.

Anhand der Fig. 6 ist ersichtlich, dass die Schrägstellung der Steuerflächen 74 nicht einheitlich ist, sondern beim Verriegeln zunächst mittels des steileren Teilbereichs 74‘ eine vergleichsweise starke Verlagerung des Verriegelungskörpers 90 bewirkt, während anschließend durch einen weniger geneigten Teilbereich 74“ nur noch eine geringe Verlagerung des Verriegelungskörpers 90 erfolgt und hierbei jedoch eine sehr hohe Kraft sowie vorzugsweise Selbsthemmung erzielt wird.

Fig. 7 zeigt das Steuerglied 70 und zwei einander gegenüberliegend daran anliegende Verriegelungskörper 90 in einer geschnittenen Darstellung. Es ist zu erkennen, dass die Steuerflächen 74 konkav gewölbt ausgebildet sind, um eine relativ hohe Kraftübertragung bei relativ geringer hertzscher Pressung zu erzielen.

Die Fig. 8A und 8B zeigen eine alternative Ausgestaltung der mechanischen Komponenten der Verriegelung. Fig. 8A zeigt hierbei den unverriegelten Zustand. Abweichend von der vorangegangenen Gestaltung sind bei dieser Gestaltung die Kopplungsausnehmungen 56 und die Kopplungsstifte 26 annähernd in Form eines Quadrats angeordnet. Um die Kopplungsstifte 26 in allen vier Kopplungsausnehmungen 56 mittels des zentralen Steuergliedes 70 zu ermöglichen, sind die, in Fig. 9 nochmals separat dargestellten, Verriegelungskörper 90 bei dieser Gestaltung als längliche Verriegelungskörper 90 ausgebildet, deren gegenüberliegende Enden jeweils mit einer halbkreiszylindrischen Form versehen sind.

Zusätzlich zu diesen länglichen Verriegelungskörpern unterscheidet sich die Gestaltung der Fig. 8A und 8B von der der Fig. 5A und 5B dadurch, dass die Verriegelungskörperrichtung 6 nicht orthogonal zur Steuergliedrichtung 4 ausgerichtet ist. Stattdessen schließen sie einen Winkel von ca. 75° ein.

Die grundsätzliche Funktionsweise bleibt jedoch erhalten. Trotz des genannten Winkels zwischen der Verriegelungskörperrichtung 6 und der Steuergliedrichtung 4 kann das in den Fig. 8A und 8B gestrichelt dargestellte Steuerglied 70 bei translativer Verlagerung aus der freigebenden Endlage der Fig. 8A in die verriegelnde Endlage der Fig. 8B die Verriegelungskörper 90 nach außen schieben und hierdurch den verriegelten Zustand herstellen.

Claims

Patentansprüche Kopplungseinrichtung (10) für einen Roboter zur Kopplung zweier Roboter-Segmente (104, 110, 112, 114, 116, 118) mit den folgenden Merkmalen: a. die Kopplungseinrichtung (10) weist zwei Kopplungsteileinrichtungen (20, 50) auf, die jeweils fest mit einem Roboter-Segment (104, 110, 112, 114, 116, 118) verbindbar sind und die zur lösbaren Kopplung aneinander in einer Kopplungsrichtung (2) ausgebildet sind, und b. eine erste Kopplungsteileinrichtung (20) verfügt über ein Gehäuse (22) mit einer Anlagefläche (24) sowie über eine Mehrzahl von Kopplungsstiften (26), die über die Anlagefläche (24) hinausragen, und c. eine zweite Kopplungsteileinrichtung (50) verfügt über ein Gehäuse (52) mit einer Anlagefläche (54) sowie über eine Mehrzahl von Kopplungsausnehmungen (56) zur Aufnahme der Kopplungsstifte (26), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: d. die Kopplungsstifte (26) weisen zwischen einem zur Anlagefläche (24) der ersten Kopplungsteileinrichtung (20) weisenden proximalen Ende und einem von der Anlagefläche (24) weg weisenden distalen Ende eine seitliche Verriegelungsaussparung (27) auf, und e. die zweite Kopplungsteileinrichtung (50) weist ein Steuerglied (70) auf, welches durch das Gehäuse (52) geführt ist, und f. das Steuerglied (70) ist in einer zur Kopplungsrichtung (2) orthogonalen Steuergliedrichtung (4) zwischen einer freigebenden Endlage und einer verriegelnden Endlage translativ verlagerbar, und g. an einander, bezogen auf die Steuergliedrichtung (4), gegenüberliegenden Randbereichen (60A, 60B) des Gehäuses (52) ist jeweils mindestens ein Verriegelungskörper (90) vorgesehen, der in einer von der Steuergliedrichtung (4) abweichenden Verriegelungskörperrichtung (6) geführt verlagerbar ist, und h. an einer Außenseite des Steuergliedes (70) sind mindestens zwei gegenüber der Steuergliedrichtung (4) angewinkelte Steuerflächen (74) vorgesehen, und i. die Verriegelungskörper (90) sind mittels der Steuerflächen (74) des Steuergliedes soweit verlagerbar, dass sie in die Kopplungsausnehmungen (56) und die dort angeordneten Verriegelungsaussparungen (27) der Kopplungsstifte (26) einrücken. Kopplungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 mit den folgenden weiteren Merkmalen: a. das Gehäuse (52) der zweiten Kopplungsteileinrichtung (50) weist einen ringförmigen Abschnitt (58) mit einer zentrischen Aussparung (62) auf, und b. die einander gegenüberliegenden Randbereiche (60A, 60B) des Gehäuses (52) sind beidseitig der zentrischen Aussparung vorgesehen, vorzugsweise mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: c. das Steuerglied (70) ist beidseitig der zentrischen Aussparung im Gehäuse (52) gelagert und überspannt die zentrische Aussparung (62). Kopplungseinrichtung (10) nach Anspruch 2 mit den folgenden weiteren Merkmalen: a. die erste Kopplungsteileinrichtung (20) und die zweite Kopplungsteileinrichtung (50) verfügen jeweils über ein Schnittstellenmodul (30, 64), wobei die Schnittstellenmodule (30, 64) im gekoppelten Zustand der Kopplungsteileinrichtungen (20, 50) Signalleitungen, Stromleitungen und/oder Fluidleitungen der beiden Kopplungsteileinrichtung (20, 50) miteinander verbinden, und b. das Schnittstellenmodul (64) der zweiten Kopplungsteileinrichtung (50) ist zumindest teilweise in der zentrischen Aussparung des Gehäuses (52) angeordnet, vorzugsweise mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: c. an den beiden Schnittstellenmodulen (30, 64) sind Kontaktflächen (32, 66) vorgesehen, die im gekoppelten Zustand der Kopplungsteileinrichtungen (20, 50) aneinander anliegen, wobei vorzugsweise mindestens eine Kontaktfläche (32) als federnd auslenkbare Kontaktfläche (32) ausgebildet ist, und/oder d. mindestens eines der Schnittstellenmodule (30, 64) weist eine Platine auf, die orthogonal zur Kopplungsrichtung (2) ausgerichtet und vorzugweise in der Ebene der Anlagefläche (24, 54) der jeweiligen Kopplungsteileinrichtung (20, 50) angeordnet ist. Kopplungseinrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. an einer Außenseite des Gehäuses (52) der zweiten Kopplungsteileinrichtung (50) ist eine Verriegelungshandhabe (80) vorgesehen, mittels derer das Steuerglied (70) in Steuergliedrichtung (4) verlagerbar ist, vorzugsweise mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: b. die zweite Kopplungsteileinrichtung (50) weist eine Rückstellfeder (76) auf, durch die das Steuerglied (70) in eine Endlage kraftbeaufschlagt wird. Kopplungseinrichtung (10) nach Anspruch 4 mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. die Verriegelungshandhabe (80) ist als Schwenkhebel (80) ausgebildet, der um eine zur Steuergliedrichtung (4) orthogonale Schwenkhebelachse (8) zwischen einer Freigabeschwenkstellung und einer Verriegelungsschwenkstellung verschwenkbar ist, vorzugsweise mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: b. am Schwenkhebel (80) ist eine Exzenternocke (82) vorgesehen, mittels derer das Steuerglied (70) in Richtung seiner verriegelnden Endlage kraftbeaufschlagbar ist, und/oder c. in der Verriegelungsschwenkstellung befindet sich der Schwenkhebel (80) in einer Übertotpunktlage, so dass ein Verschwenken des Schwenkhebels (80) in Richtung der Freigabeschwenkstellung eine zwischenzeitliche Verlagerung des Steuergliedes (70) in Richtung seiner verriegelnden Endlage bewirkt, und/oder d. zur Sicherung des Schwenkhebels (80) in der Verriegelungsschwenkstellung ist ein Arretiermittel, vorzugsweise in Form einer Arretierschraube, vorgesehen, und/oder e. der Schwenkhebel (80) weist an seinem distalen Ende einen nach innen gerichteten Endabschnitt auf, wobei vorzugweise an einer Außenseite des Gehäuses (52) eine Aussparung zur Aufnahme des Endabschnitts vorgesehen ist. Kopplungseinrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem folgenden weiteren Merkmal:

14 a. mindestens ein Verriegelungskörper (90) ist als Kugel (90) ausgebildet. Kopplungseinrichtung (10) nach Anspruch 6 mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. mindestens eine Steuerfläche (74) weist in einer zur Steuergliedrichtung (4) orthogonalen Schnittebene zumindest abschnittsweise eine konkave Formgebung (74A) auf, vorzugweise mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: b. die konkave Formgebung (74A) weist einen Krümmungsradius auf, der größer als der Radius der Kugel (90) ist, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 2 mm größer. Kopplungseinrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. das Steuerglied (70) weist auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Steuerfläche (74) auf, so dass zwei im gleichen Randbereich (60A, 60B) vorgesehene Verriegelungskörper (90) mittels des Steuergliedes (70) gleichzeitig in unterschiedliche und vorzugsweise entgegengesetzte Richtung verlagerbar sind, vorzugsweise mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: b. das Steuerglied (70) weist auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils zwei Steuerflächen (74) auf, so dass in beiden Randbereichen (60A, 60B) jeweils zwei Verriegelungskörper (90) mittels des Steuergliedes (70) gleichzeitig in unterschiedliche und vorzugsweise entgegengesetzte Richtung verlagerbar sind. Kopplungseinrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. die Kopplungsteileinrichtungen (20, 50) verfügen zusätzlich zu den Kopplungsstiften (26) und zu den Kopplungsausnehmungen (56) eine hiervon getrennte Zentriereinrichtung auf, wobei die Zentriereinrichtung vorzugsweise zwei Passstifte (28A, 28B) und zwei korrespondierende Zentrierausnehmungen (68A, 68B) an den beiden Kopplungsteileinrichtungen (20, 50) aufweist, vorzugsweise mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal:

15 b. die zwei Passstifte (28A, 28B) und die zwei korrespondieren Zentrierausnehmungen (68A, 68B) sind vertauschungssicher einander eindeutig zugeordnet. Kopplungseinrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden weiteren Merkmale: a. im gekoppelten Zustand der Kopplungsteileinrichtungen (20, 50) liegen die Anlageflächen (24, 54) aneinander an, und/oder b. an der Anlagefläche (24, 54) mindestens einer Kopplungsteileinrichtung (20, 50) ist eine umlaufende Dichtung zur Anlage an der anderen Kopplungsteileinrichtung (50, 20) vorgesehen, und/oder c. die Steuergliedrichtung (4) und die Verriegelungskörperrichtung (6) mindestens eines Verriegelungskörpers (90), vorzugsweise die Verriegelungskörperrichtung (6) aller Verriegelungskörper (90), schließen einen Winkel zwischen 70° und 110° ein, vorzugsweise einen Winkel von 90°, und/oder d. mindestens eine Steuerfläche (74) weist mindestens zwei Teilbereiche (74‘, 74“) mit unterschiedlichen Steigungen gegenüber der Steuergliedrichtung (4) auf, wobei vorzugsweise die Steigung in einem ersten Teilbereich (74‘) mehr als 30° beträgt, insbesondere mehr als 45°, und wobei vorzugweise die Steigung in einem zweiten Teilbereich (74“) weniger als 30° beträgt, insbesondere weniger als 15°. e. die Kopplungsteileinrichtungen (20, 50) sind aufgrund ihrer Formgebung, insbesondere aufgrund der Formgebung der Zentriereinrichtung (28A, 28B, 68A, 68B), bezogen auf die Kopplungsrichtung (2) nur in einer Drehstellung miteinander koppelbar, und/oder f. die Führung von mindestens einem Verriegelungskörper (90) und vorzugsweise von zwei Verriegelungskörpern (90) erfolgt in einer von einer Außenseite in das Gehäuse (52) eingefügten Bohrung, die vorzugsweise endseitig mit einem Stopfen verschlossen ist, und/oder g. mindestens ein Verriegelungskörper (90), mindestens ein Kopplungsstift (26) und/oder das Steuerglied (70) sind aus gehärtetem und/oder vergütetem und/oder wärmebehandelt Stahl hergestellt, vorzugsweise aus 42CrMo4, und/oder

16 h. das Steuerglied (70) ist in einem Steuergliedkanal geführt, wobei zwischen einer Innenwandung des Steuergliedkanals und einer Außenseite des Steuerglieds (70) mindestens eine Dichtung, insbesondere ein O-Ring, vorgesehen ist. Kopplungsteileinrichtung (20, 50) für eine Kopplungseinrichtung (10) mit einem der folgenden Merkmale: a. die Kopplungsteileinrichtung (20) weist die Merkmale der ersten Kopplungsteileinrichtung (20) gemäß Anspruch 1 oder einem der Unteransprüche 2 bis 10 auf, oder b. die Kopplungsteileinrichtung (20) weist die Merkmale der zweiten Kopplungsteileinrichtung (50) gemäß Anspruch 1 oder einem der Unteransprüche 2 bis 10 auf. Roboterarm-Segment (104) mit den folgenden Merkmalen: a. das Roboterarm-Segment (104) verfügt über einen länglichen Segmentkörper, der vorzugsweise eine Länge von mindestens 20 cm, insbesondere vorzugweise von mindestens 40 cm aufweist, und b. an mindestens einem Ende des Roboterarm-Segments (104) ist eine Kopplungsteileinrichtung (20, 50) nach Anspruch 11 vorgesehen. Robotermotor-Segment (110, 112, 114, 116, 118) mit den folgenden Merkmalen: a. das Robotermotor-Segment (110, 112, 114, 116, 118) verfügt über einen Elektromotor sowie einen Anbringungsflansch und einen motorisch gegenüber dem Anbringungsflansch angetriebenen Abtriebsflansch, b. am Anbringungsflansch und/oder am Abtriebsflansch ist eine Kopplungsteileinrichtung (20, 50) nach Anspruch 11 vorgesehen. Roboter (100) mit den folgenden Merkmalen: a. der Roboter (100) weist mindestens zwei Roboter-Segmente (104, 110, 112, 114, 116, 118) auf, bei denen es sich um Roboterarm-Segmente (104) und/oder Robotermotor-Segmente (110, 112, 114, 116, 118) handelt, und

17 b. der Roboter (100) weist mindestens eine Kopplungseinrichtung (10) auf, mittels derer die Roboter-Segmente (104, 110, 112, 114, 116, 118) miteinander verbindbar sind, und c. die Kopplungseinrichtung (10) ist nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet.

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