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Die Erfindung betrifft einen Arbeitsarm,
insbesondere Roboterarm, mit einem Antrieb zur Bewegung des Arms
in gewünschte
Zielpositionen und einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Antriebs unter
Kompensation von Armschwingungen.
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Eine durch Roboterarme häufig zu
lösende Aufgabe
besteht darin, zu verarbeitende Teile in einer bestimmten Montageposition
im Raum anzuordnen. Dabei kommt es darauf an, daß diese Position möglichst
schnell und mit hoher Präzision
erreicht wird. Vor allem bedingt durch die zum Bewegen des Arms von
einer Ausgangsposition in eine Zielposition erforderlichen Beschleunigungen
und Abbremsungen des Arms, neigen solche Arbeitsarme zu Schwingungen, durch
welche das Erreichen der Zielposition verzögert wird. Zum Beispiel kann
ein gehaltertes Teil noch über
einen längeren
Zeitraum um die Zielposition herum schwingen, bevor er zur Ruhe
kommt und montiert werden kann. Um solche Schwingungen zu vermeiden,
werden Roboterarme daher verhältnismäßig steif
mit geringer Neigung zu Schwingungen ausgebildet, was entsprechend
hohen Materialaufwand und verhältnismäßig hohe
erforderliche Antriebsleistungen nach sich zieht.
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Aus der
DE 39 25 276 A1 ist ein
Verfahren zur Schwingungsdämpfung
durch ein Fluid über
einen Antriebszylinder angetriebener, vielgelenkiger Handhabungsgeräte bekannt.
Verwendet wird eine Steuereinrichtung, die neben Zylinderhub Gelenkwinkel
und Gelenkwinkelgeschwindigkeiten durch den Antriebszylinder erzeugte
Antriebskräfte
als Ausgangsgrößen für die Steuerung
misst und die Steuergröße, d.h.
den antreibenden Fluidstrom, um einen der gemessenen Kraft proportionalen
Anteil verringert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen neuen Arbeitsarm der eingangs erwähnten Art
zu schaffen, welcher in Bezug auf Materialeinsatz und Antriebsaufwand
gegenüber
dem oben beschriebenen Stand der Technik verbessert ist.
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Der diese Aufgabe lösende Arbeitsarm
nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine mit der Steuerung
verbundene Messeinrichtung zur laufenden Ermittlung der Geschwindigkeit
eines durch den Arm bewegten Gegenstandes, wobei die Steuereinrichtung
zur Ausregelung von Armschwingungen während der Bewegung des Arms
von einer Ausgangsposition in eine Zielposition basierend auf den ermittelten
Geschwindigkeiten vorgesehen ist, so dass der Arm die Zielposition
schwingungsfrei erreicht.
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Entsprechend dieser Erfindungslösung können bei
geringerem Materialaufwand und geringerer Antriebsleistung leichtere,
zu Schwingungen neigende Armkonstruktionen vorgesehen werden, welche dennoch
zur kurzfristig genauen Positionierung von Konstruktionsteilen geeignet
sind, indem Armschwingungen erfindungsgemäß kompensiert werden. Vorteilhaft
wird dem Arm bewußt
eine verhältnismäßig hohe
Elastizität
verliehen, wobei zu handhabende Gegenstände mit Massen derart ausgewählt werden, daß die Eigenfrequenz
der Armschwingung vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 und 10 Hertz
liegt. In diesen Fällen
einer verhältnismäßig langsamen Schwingung
läßt sich
die Schwingungsneigung des Arms optimal ausregeln und der Zeitaufwand
für schwingungskompensierte
Positionswechsel des Arms minimieren.
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Die Kompensation erfolgt bereits
während der
Bewegung der Gegenstandes in die Zielposition, wobei mit dem Erreichen
der Zielposition der durch den Arm bewegte Gegenstand gleichzeitig
zur Ruhe kommt. Die Positionsverlagerung des Gegenstandes erfolgt
also unter minimalem Zeitaufwand ausschließlich während des Übergangs von der Ausgangsposition
in die Zielposition, wobei die Steuereinrichtung insbesondere zur
fortlaufenden Einstellung eines Antriebsvorschubs S' gemäß der Beziehung
S' = S – const × VArm vorgesehen ist, wobei S einen zum Erreichen
der Zielposition aus der Ausgangsposition erforderlichen Gesamtantriebsvorschub
und VArm eine für die momentane Geschwindigkeit
des durch den Arm bewegten Gegenstandes repräsentativen Geschwindigkeitswert
bezeichnet. Entsprechend diesem Konzept zur Ausregelung von Armschwingungen
während
der Bewegung des Arms von der Ausgangsposition in die Zielposition
erfolgt eine Antriebsbewegung des Arms derart, daß zunächst eine
Vorschubeinstellung entsprechend dem Gesamtantriebsvorschub erfolgt.
Durch die Elastizität
des Arms steigt die Geschwindigkeit der durch den Arm bewegten Masse
mit einer gewissen Verzögerung
an. Um zu gewährleisten,
daß die
Masse in der Zielposition schwingungsfrei zur Ruhe kommt, wird der
Antriebsvorschub S' unter Abbremsung
der Masse dann vorübergehend
wieder zurückgenommen,
bis schließlich
der stetig geänderte
Wert S' bei der
Geschwindigkeit VArm = 0 dem zur Bewegung
des Arms von der Ausgangsposition in die Zielposition erforderlichen
Gesamtantriebsvorschub S entspricht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfaßt
der Arbeitsarm einen an einem Ende gelenkbeweglich angebrachten
Schwenkarm, wobei neben der Masse eines gehalterten Gegenstandes
die für
Armschwingungen maßgebende
Eigenfrequenz des Arms im wesentlichen durch am Schwenkarm angreifende
elastische Teile des Antriebs bestimmt ist. Vorzugsweise sind diese
elastischen Antriebsteile durch zwei mit Zugfedern versehene Zugseile
gebildet, die den Schwenkarm in jeder Arbeitsstellung unter Biegeentlastung
haltern und an vom Arm entfernten Enden in entgegengesetztem Drehsinn
auf eine durch einen Antriebsmotor drehbare Antriebswelle gewunden
sind. Dem erwähnten
Antriebsvorschub S' entspricht
dann ein Drehwinkel des Antriebsmotors, wobei zur Bestimmung der
Drehwinkelposition des Antriebsmotors eine einen Winkelimpulsgeber
umfassende Einrichtung vorgesehen ist. Durch Zählung und Speicherung der durch
den Winkelimpulsgeber erzeugten Impulse ist die Steuereinrichtung
dann in der Lage, die Drehwinkelposition des Antriebsmotors zu ermitteln
und Änderungen
der Drehwinkelposition entsprechend der oben angegebenen Beziehung
vorzunehmen.
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Vorzugsweise weist die Meßeinrichtung
einen auf eine Verschwenkung des Arms ansprechenden Winkelimpulsgeber
auf, welcher vorzugsweise am Gelenk des Schwenkarms angeordnet ist. Über diesen
weiteren Winkelimpulsgeber kann die Steuereinrichtung neben der
Winkelposition die Winkelgeschwindigkeit des Schwenkarms und damit
für die Geschwindigkeit
eines durch den Arm bewegten Gegenstandes repräsentative Werte ermitteln.
Zwischen der Geschwindigkeit des durch den Arm bewegten Gegenstandes
und der Winkelgeschwindigkeit des Schwenkarms besteht Proportionalität, wenn der
Schwenkarm, wie in dem erwähnten
bevorzugten Ausführungsbeispiel,
durch die elastischen Zugseile biegeentlastet ist.
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Neben der durch die Meßeinrichtung
ermittelten Winkelgeschwindigkeit des Arms könnte bei der Schwingungskompensationssteuerung
auch deren momentane Winkelposition mit einbezogen werden.
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Die Steuereinrichtung umfaßt vorzugsweise einen
zur Lösung
der genannten Regelungsaufgaben besonders geeigneten digitalen Signalprozessor (DSP)
und ist weitgehend durch die Programmierung des digitalen Signalprozessors
implementiert.
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Die Betriebsansteuerung des Antriebsmotors
erfolgt vorzugsweise unter Pulsweitenmodulationen.
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In weiterer vorfeilhafter Ausgestaltung
der Erfindung kann die Steuereinrichtung zur Ermittlung und Auswertung
von Differenzen zwischen der Drehwinkelposition des Antriebsmotors
und der Schwenkwinkelposition des Arms vorgesehen sein, wobei durch
Auswertung solcher Differenzen z.B. die Größe einer von dem Arm zu bewegenden
Masse bestimmbar ist, indem sich für unterschiedliche Massen unterschiedliche
Dehnungen der Zugseile und damit unterschiedliche Differenzen zwischen
den genannten Winkelpositionen ergeben. Aus der Masse und gespeicherten
Elastizitätsparametem
können
die jeweilige Eigenfrequenz bestimmt und z.B. ausgehend von der
Eigenfrequenz Regelparameter für
die Regelung gemäß der oben
angegebenen Beziehung unterschiedlich eingestellt werden, wie z.B.
die Zyklusdauer oder die Geschwindigkeit, mit der die Winkelposition
des Antriebsmotors verstellt wird. Durch Auswertung der Drehwinkeldifferenzen
ist auch eine Havarieerkennung, z.B. der Anstoß des Arms gegen ein Hindernis,
möglich.
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Durch den elastischen Arm ließe sich
z.B. auch überprüfen, ob
eine durch den Arm bewegte Masse gegen einen Führungsanschlag anliegt oder in
einer Einrastung festsitzt, indem z.B. festgestellt wird, daß eine Drehung
des Antriebsmotors keine Bewegung des Arms mehr zur Folge hat.
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Vorteilhaft könnte die Steuereinrichtung
mit weiteren Sonderfunktionen versehen werden, wie z.B. einer Einrichtung,
die beim Absetzen von Massen auf dem Boden oder einer Stütze erst
nach dem Absetzen für
eine Entlastung der Zugseile und damit für ein behutsames Absetzen sorgt.
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Die Steuereinrichtung könnte ferner
als lernfähiges
System ausgebildet sein, das z.B. von Hand ausgeführte Bewegungen
des Arms zur späteren
automatisch gesteuerten Ausführung
dieser Bewegungen speichert.
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Durch die Möglichkeit zur Erfassung der Drehwinkelposition
sowohl des Motors als auch des Arms erscheint das System für die Steuereinrichtung vollkommen
transparent, welche somit Anpassungsoperationen zur Anpassung des
Systems an unterschiedliche Ausgangsbedingungen vornehmen kann.
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Die Erfindung soll nun anhand eines
Ausführungsbeispiels
und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden
Zeichnungen näher
erläutert
und beschrieben werden. Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen Arbeitsarm
in einer Seitenansicht,
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2 den
Arbeitsarm von 1 in
einer Draufsicht (ausschnittsweise), und
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3 und 4 verschiedene gemessene
Zeitverläufe
einer Armschwenkbewegung des Arbeitsarms von 1 und 2 (untere
Kurven) im Vergleich zu Zeitverläufen
der entsprechenden Antriebsbewegung durch einen Antriebsmotor (obere
Kurven).
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Mit dem Bezugszeichen 1 ist
in den 1 und 2 ein Schwenkarm bezeichnet,
der an einem Ende mit einer Masse 2 versehen und am anderen Ende über eine
Drehachse 3 verschwenkbar an Lagerblöcken 4 und 5 gehaltert
ist.
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Nahe der Masse 2 greifen
an dem Hebelarm 1 Zugseile 6 und 7 an,
die jeweils unterbrochen und mit einer die Unterbrechung überbrückenden Schraubenfeder 8 bzw. 9 versehen
sind. Das Zugseil 6 mit der Schraubenfeder 8 ist
einmal um eine Seilscheibe 10 herumgewunden, während das
Zugseil 7 gegen eine Seilscheibe 11 nur über einen
Teil von deren Umfang anliegt. Die Scheiben 10 und 11 sind
beide drehbeweglich auf der Drehachse 3 gelagert. In dem
gezeigten Ausführungsbeispiel
weisen sie einen Durchmesser von 50 mm auf.
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An ihrem von dem Schwenkarm 1 entfernten Ende
sind die Zugseile 6 und 7 in entgegengesetztem
Drehsinn auf eine Antriebswelle 12 aufgewickelt, welche
an Lagerblöcken 13 und 14 drehbar
gehaltert und über
eine Kupplung 15 und ein Getriebe 16 mit einem
Antriebsmotor 17 verbindbar ist. Bei dem Motor 17 handelt
es sich hierum einen 12V-Gleichstrommotor und bei dem Getriebe 16 um
ein 1:14 untersetzendes Planetengetriebe.
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Die Lagerblöcke 4 und 5 sowie 13 und 14 sind
auf einer in 1 gezeigten
Trägerplatte 18 befestigt.
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Mit den Bezugszeichen 19 und 20 sind
in den 1 und 2 jeweils elektro-optische
Winkelimpulsgeber bezeichnet, wobei der Winkelimpulsgeber 19 (100
Impluse/Umdrehung) mit der Motorwelle 21 des Antriebsmotors 17 und
der Winkelimpulsgeber 20 (3600 Impluse/Umdrehung) mit der
Drehachse 3 des Hebelarms 1 verbunden ist.
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Die Winkelimpulsgeber 19 und 20 sind
mit einer in den Figuren nicht gezeigten, einen digitalen Signalprozessor
aufweisenden Steuereinrichtung für den
Antriebsmotor 17 verbunden. Der Betrieb des Antriebsmotors 17 erfolgt
unter Pulsweitenmodulation.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
beträgt
die Länge
des Schwenkarmes 1 etwa 30 cm. In Ruhestellungen. ist der
Schwenkarm über
den Antriebsmotor 17 gehaltert, wobei die Federn 8 und 9 der
Zugseile 6 und 7 entsprechend gespannt sind. Durch
die Elastizität
der Zugseile 6 und 7 mit den Schraubenfedern 8 und 9 ist
der Schwenkarm 1 schwingungsfähig, wobei die Federn 8 und 9 und
die Masse 2 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel so bemessen
sind, daß die
Eigenfrequenz des Schwenkarms 1 bei etwa 5 Hertz liegt.
Durch die gezeigte Anbringung und Führung der elastischen Zugseile 6 und 7 über die
drehbeweglichen Seilscheiben 10 und 11 ist der
Schwenkarm 1 biegeentlastet und spielfrei antreibbar.
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Im folgenden wird anhand der 3 und 4 die Funktionsweise des in den 1 und 2 gezeigten Schwenkarms beschrieben.
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Die in den 1 und 2 gezeigte
Schwenkarmkonstruktion, die als Prinziplösung für einen Roboterarm dienen kann,
hat die Aufgabe, die Masse 2 von einer Ausgangsposition,
z.B. der waagerechten Position des Schwenkarms 1, in eine
Zielposition befördern.
Statisch betrachtet entspricht dieser Zielposition eine bestimmte
Drehwinkelposition des Antriebsmotors 17, wobei in dem
hier gezeigten Ausführungsbeispiel
zwischen der Drehwinkelposition des Antriebsmotors und der Drehwinkelposition
des Schwenkarms 1 infolge der je nach Stellung des Schwenkarms 1 unterschiedlich
wirksamen Schwerkraft der Masse 2 zwar keine lineare, aber
eindeutige Beziehung besteht. Die genannte Beziehung ist in der
nicht gezeigten Steuereinrichtung gespeichert. Soll ausgehend von
einer Ausgangsposition des Schwenkarms 1 bzw. der Masse 2 eine
Bewegung der Masse 2 in eine gewünschte Zielposition erfolgen,
so kann über
die Steuereinrichtung anhand der gespeicherten Beziehung die dieser
Zielposition entsprechende Drehposition des Antriebsmotors 17 eingestellt
werden. Ausgehend von der Ausgangsposition berechnet die Steuereinrichtung
einen bestimmten Winkelvorschub S des Motors 17, welcher
der Zielposition der Masse 2 entspricht.
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Würde
der Antriebsmotor unmittelbar um diesen Winkelvorschub S verdreht,
so käme
es durch die Elastizität
der Federn 8 und 9 zu einer zeitlich verzögerten Verdrehung
des Schwenkarms 1. Der der Drehung des Motors nachlaufende
Schwenkarm 1 würde
dann aber über
die Zielposition für
die Masse 2 hinausschießen und anschließend mit
der im wesentlichen durch die Masse 2 und die Elastizität der Schraubenfedern 8 und 9 bestimmten
Eigenfrequenz um die Zielposition herum schwingen. In 3a zeigt die untere Kurve
eine solche Schwingung, während die
obere Kurve eine Drehbewegung des Motors 17 um den Winkelvorschub
S = 30° mit
konstanter Drehgeschwindigkeit angibt.
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Um eine Schwingbewegung der Masse 2, wie
sie die untere Kurve von 3a zeigt,
zu verhindern, wird der Antriebsmotor 17 nicht gemäß 3a mit gleichbleibender
Geschwindigkeit in die der Zielposition der Masse 2 entsprechende
Drehwinkelposition des Antriebsmotors um den Gesamtwinkelvorschub
S verdreht, sondern es werden Zwischenwinkel S' als Zielwerte des Vorschubs gemäß der Beziehung
S' = S – const × VArm in aufeinanderfolgenden Regelzyklen eingestellt.
Dazu ermittelt die genannte Steuereinrichtung in jedem Zyklus über den
Winkelimpulsgeber 20 die Winkelgeschwindigkeit des Schwenkarms 1,
welche bei der beschriebenen Vorrichtung mit dem biegungsentlasteten
Schwenkarm 1 der Kreisbahngeschwindigkeit der Masse 2 exakt proportional
ist. Die Einstellung der Winkelpositionen des Antriebsmotors erfolgt über einen
Proportionalregleralgorithmus.
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In der Anfangsphase der Bewegung
ist die Winkelgeschwindigkeit VArm des Hebelarms 1 gleich
0 und der Zielwinkel für
den Antriebsmotor 17 entspricht dem zum Erreichen der Zielposition
der Masse 2 erforderlichen Gesamtwinkelvorschub S. Durch die
Drehung des Motors dehnen sich die Federn 8 und 9,
und es kommt zunehmend zu einer Kraftübertragung auf den Schwenkarm 1,
dessen Geschwindigkeit dadurch anwächst. Mit wachsender Winkelgeschwindigkeit
VArm verringert sich der eingestellte Zwischenwinkel
S' des Antriebsmotors,
dessen Drehrichtung sich daher vorübergehend umkehrt, wodurch
die Masse 2 wieder abgebremst wird. Damit verringert sich
die Kreisbahngeschwindigkeit der Masse 2 und der durch
die Steuerung einzustellende Zwischenwinkel S' nähert
sich dem Gesamtwinkelvorschub S an. Damit erreicht die Masse 2 schwingungsfrei
ihre Zielposition, d.h. ihre Abbremsung auf die Kreisbahngeschwindigkeit 0 und
das Erreichen der Zielposition fallen zusammen. Während ihrer
Bewegung von einer Ausgangsposition in die Zielposition wurde durch
die genannte, die Winkelgeschwindigkeit des Arms 1 rückführende Regelung
das Entstehen jeglicher Schwingung des Hebelarms 1 verhindert,
wodurch die Masse 2 in kürzestmöglicher Zeit von der Ausgangsposition
in die Zielposition verlagert worden ist.
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3c zeigt
Bewegungen des Schwenkarms 1 und des Antriebsmotors 17,
wobei die Bewegungsabläufe
in der ersten Phase den Bewegungsabläufen von 3b entsprechen, danach aber eine weitere
Verdrehung des Schwenkarms 1 zu Korrekturzwecken erfolgt,
wobei auch während
dieser Korrektur eine entsprechende Ausregelung von Schwingungen
des Schwenkarms 1 in der oben beschriebenen Weise durchgeführt wird.
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4a zeigt
die Motorbewegung und die Schwenkarmbewegung bei aufeinanderfolgenden Hin-
und Herbewegungen der Masse 2 zwischen zwei Zielpositionen,
wobei diese Bewegungen in ihrem zeitlichen Ablauf jeweils den Bewegungsabläufen von 3b entsprechen. Wie die
gemessenen Kuren zeigen, wird eine hohe Wiederholgenauigkeit der
Bewegung erreicht.
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4b zeigt
Bewegungsabläufe,
bei denen gegenüber
den Bewegungsabläufen
gemäß den 3b, 3c und 4a die
jeweilige Veränderung
des Drehwinkels des Antriebsmotors 17 mit geringerer Geschwindigkeit
erfolgt, so daß sich
der Zwischenwinkel S' des
Antriebsmotors langsamer an den Gesamtwinkelvorschub S (hier S =
20°) und
der Hebelarm 1 entsprechend langsamer an die gewünschte Zielposition
für die
Masse 2 annähert.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird während der
verhältnismäßig langsamen
Annäherung
an die Zielposition der Hebelarm 1 angestoßen, wobei
die gemessenen Kurven zeigen, daß durch diese Anstöße erzeugte
Schwingungen des Hebelarms 1 durch entsprechende Gegenbewegungen
des Antriebsmotors 17 effizient ausgeregelt werden.
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Der gezeigte Arbeitsarm mit elastischem
Antrieb könnte
Teil eines mehrere solche, durch Gelenke verbundene Anne umfassenden
Arbeitsarms sein.
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Es wäre ferner denkbar, den beschriebenen Arbeitsarm
zur Unterstützung
manueller Bewegungen, z.B. als Hebehilfe, einzusetzen.
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Bei sich wiederholenden Hin- und
Herbewegungen könnte
ggf. unter Einsparung von Antriebsenergie in dem elastischen Antrieb
gespeicherte Federenergie zum Antrieb genutzt werden.