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Die
Erfindung betrifft einen Industrieroboter, insbesondere für didaktische
Zwecke, gemäß dem Oberbegriff
von Schutzanspruch 1.
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Industrieroboter
der eingangs genannten Art kommen beispielsweise, keineswegs jedoch
ausschließlich,
zu didaktischen Zwecken bei der Ausbildung von technischen Fachkräften, von
gewerblichen Schülern
oder zur allgemeinen Demonstration der Funktionsweise und Steuerung
von Industrierobotern zum Einsatz, lassen sich jedoch ggf. auch
für bestimmte
Aufgaben im realen Produktionsumfeld einsetzen.
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Insbesondere
bei Industrierobotern, die – auch – didaktischen
Zwecken dienen, stehen Gesichtspunkte wie einfacher modularer Aufbau,
transparente Funktion, geringes Gewicht und zuverlässige Technik
bei gleichzeitig vertretbaren Kosten im Vordergrund.
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Der
Stand der Technik umfasst jedoch außer einigen Roboterkonstruktionen,
die eher dem Bereich 'technisches
Spielzeug' zuzuordnen
sind, und neben den ausschließlich
auf die speziellen Anforderungen der industriellen Massenproduktion
zugeschnittenen Produktionsrobotern keinen Industrieroboter, der
in vorteilhafter Weise sämtliche
genannten Kriterien erfüllt
und sich ggf. auch für
didaktische Zwecke besonders gut eignet.
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Mit
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Industrieroboter zu schaffen, der die genannten, beim Stand der
Technik vorhandenen Unzulänglichkeiten überwindet.
Dabei soll insbesondere ein äußerst transparenter,
gewichtssparender und kostengünstiger
Aufbau gewährleistet
sein, ohne dabei für
den Roboter Einschränkungen
bezüglich
Einsetzbarkeit oder Funktionalität
mit sich zu bringen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Industrieroboter mit den Merkmalen des
Schutzanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße Roboter
umfasst in an sich zunächst
bekannter Weise einen Roboterarm mit mehreren Freiheitsgraden. Dabei
weist der Roboterarm ein erstes bewegliches Armglied sowie zumindest
ein weiteres bewegliches Armglied auf, wobei die zumindest zwei
Armglieder mechanisch seriell, also in Reihe angeordnet sind. Der
erfindungsgemäße Roboter
ist jedoch selbstverständlich
nicht auf einen Roboterarm mit lediglich zwei Armgliedern oder Freiheitsgraden
beschränkt,
sondern kann vielmehr eine prinzipiell beliebige Mehrzahl an relativbeweglichen
Armgliedern bzw. Freiheitsgraden aufweisen.
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Erfindungsgemäß zeichnet
sich der Roboter dadurch aus, dass der Antrieb des zumindest einen weiteren
Armglieds, bzw. der Mehrzahl an weiteren Armgliedern, je Armglied über einen
mehrstufigen Riementrieb erfolgt. Der Riementrieb weist dabei mindestens
eine Zwischenwelle, bei einer Mehrzahl weiterer Armglieder auch
mehrere Zwischenwellen auf. Auf der zumindest einen Zwischenwelle
bzw. auf den mehreren Zwischenwellen sind jeweils Zwischenrollen
bzw. Riemenscheibenpaare des Riementriebs angeordnet, wobei die
Zwischenwelle zudem jeweils mit der proximalen Gelenkachse des sich
an das weitere Armglied anschließenden, dem Korpus des Roboters
jeweils näheren
Armglieds zusammenfällt.
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Dies
bedeutet mit anderen Worten, dass vorzugsweise sämtliche Armglieder des Roboterarms über Riementriebe
angetrieben werden. Das erste (proximate, also dem Rumpf bzw. dem
Sockel des Roboters nächstliegende)
Armglied kann dabei zum Beispiel über einen direkten Riementrieb
angetrieben werden, während
die weiteren Armglieder des Roboterarms jeweils über mehrstufige Riementriebe
mit Zwischenwellen angetrieben sind. Dies bringt in vorteilhafter
Weise mit sich, dass im Roboterarm selbst zur Bewegung der Armglieder
somit keinerlei Energiewandler, wie beispielsweise Elektromotoren
mit zugehörigen
Getrieben und dergleichen angeordnet werden müssen. Vielmehr können somit
die Antriebe vorzugsweise sämtlicher
Armglieder des Roboterarms im Korpus bzw. Sockel des Roboters angeordnet
werden.
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Der
Roboterarm erhält
dank der erfindungsgemäßen Gestaltung
demzufolge einen äußerst leichten
und platzsparenden Aufbau, was sowohl Herstellung und Zusammenbau
des Roboterarms erheblich vereinfacht und erleichtert, als auch
zu vorteilhaften statischen und dynamischen Eigenschaften des Roboterarms
führt.
Da der Roboterarm dank der Erfindung eine besonders geringe Masse
aufweist, können
vom Roboter schwerere Werkstücke mit
einer zudem besseren Bewegungsdynamik gehandhabt werden.
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Außerdem kann
der Roboterarm auf diese Weise weitestgehend modular gestaltet bzw.
aufgebaut werden, was wiederum zu Kostenreduzierungen führt. Der
erfindungsgemäße Roboter
ist dank der Erfindung jedoch auch zum didaktischen Einsatz prädestiniert,
da der Roboter dank des einfachen und ggf. modularen Aufbaus beispielsweise
von Schülern oder
Lehrgangsteilnehmern auch sehr einfach zerlegt bzw. umgebaut und
wieder zusammengesetzt werden kann.
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Die
praktische Ausführung
der Riementriebe des Roboterarms ist zur Verwirklichung der Erfindung prinzipiell
unerheblich, solange die gewünschten Kräfte bzw.
Drehmomente sicher übertragen
werden können.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung erfolgt der Antrieb des Roboters jedoch über Zahnriemen,
was aufgrund der guten Drehmomentübertragbarkeit sowie aufgrund
der prinzipiell schlupffreien Kraftübertragung von Zahnriementrieben
besondere Vorteile mit sich bringt. Dank der Verwendung von Zahnriemen
kann so ggf. auch auf Sensoren zur Erkennung der Relativwinkelstellung
der einzelnen Armglieder des Roboterarms verzichtet werden, da sich
diese Relativwinkelstellungen dank der schlupffreien Zahnriementriebe
bereits anhand bekannter oder gemessener Drehwinkel der Antriebswellen
bzw. Antriebsmotoren ermitteln lassen.
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Gemäß einer
weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet
die zumindest eine Zwischenwelle, bzw. bilden die Zwischenwellen
der Riementriebe des Roboterarms gleichzeitig die Lagerachsen der
jeweiligen Gelenke des Roboterarms. Auf diese Weise lässt sich
der Aufbau des Roboters weiter ganz erheblich vereinfachen, da somit
auf ein und derselben Welle bzw. Achse sowohl die Zwischenrollen
der Riementriebe als auch die Lagerbuchsen der Armglieder des Roboterarms
selbst angeordnet werden können.
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Der
erfindungsgemäße Antrieb
der Armglieder des Roboterarms lässt
sich prinzipiell bei beliebigen Bauformen von Industrierobotern
anwenden. Gemäß weiterer
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung ist der Roboter jedoch als Vertikal-Knickarmroboter ausgebildet,
wobei die Antriebe bzw. Antriebsmotoren der Armglieder bevorzugt
im Bereich der Vertikalachse des Roboters angeordnet sind.
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Dies
führt zu
einem insgesamt äußerst kompakten
Aufbau des gesamten Roboters, insbesondere dann, wie dies gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen ist, wenn die Antriebe der Armglieder bezüglich der Schwenkbewegung
des Roboterarms drehfest mit dem Roboterarm verbunden sind.
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Die
Antriebe können
auf diese Weise als mit dem Roboterarm mitschwenkender Block im
Sockel des Roboters angeordnet werden. Hierdurch wird auch die Standfestigkeit
des Roboters verbessert, insbesondere dann, wenn der Roboter, beispielsweise
zu didaktischen Zwecken, als Tischmodell ohne feste Verbindung mit
dem Untergrund zum Einsatz kommt.
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Nach
einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Antriebe bzw. Antriebsmotoren oder Getriebemotoren, die die Armglieder
des Roboterarms über
die Riementriebe antreiben, senkrecht zu ihrer Motorachse bzw. Getriebe-Abtriebsachse
verstellbar. Auf diese Weise kann sehr einfach die Spannung der
Antriebsriemen verstellt bzw. optimal einreguliert werden.
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Die
Erfindung wird verwirklicht unabhängig vom mechanischen Aufbau
der tragenden Elemente des Roboterarms, insbesondere der Armglieder
des Roboterarms. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Roboterarm jedoch aus einfach austauschbaren
Modulen aufgebaut, bzw. liegen die Armglieder des Roboterarms in Form
solcher einfach austauschbarer Module vor, wobei die austauschbaren
Module besonders bevorzugt baugleich sind bzw. jeweils zumindest
teilweise aus baugleichen Teilen aufgebaut sind.
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Auf
diese Weise erhält
der Roboter bzw. der Roboterarm eine besonders einfache, strukturierte und
damit kostengünstig
zu fertigende Gestalt, und es wird eine lediglich geringe Teilevielfalt
zur Erstellung oder zum Umbau des Roboterarms benötigt. Auch
kann der Roboter so in Form eines Modulbaukastens ausgeführt bzw.
angeboten werden, und es können
je nach Bedarf Module nachgekauft bzw. nachträglich hinzugefügt oder
auch wieder abgebaut werden. Auch dies kommt insbesondere, jedoch
keineswegs ausschließlich,
dem Einsatz des Roboters zu didaktischen Zwecken zugute.
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Gemäß weiterer
bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung ist der Roboter zumindest zu großen Teilen, bzw. sogar vollständig transparent und/oder
gitterartig offen aufgebaut. Dies kann durch den wahlweisen oder
gemeinsamen Einsatz von durchsichtigen Bauteilen und von gitterartig
durchbrochenen Bauteilen erfolgen, und kommt wiederum sowohl dem
wünschenswerten
Leichtbau des Roboters als auch – insbesondere beim didaktischen
Einsatz – der
leicht verständlichen
Erfassung von Aufbau und Funktionsweise des Roboters zugute.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Roboter, abgesehen von Antrieb und Kleinteilen, vollständig aus
Aluminium gefertigt. Auch dies kommt dem geringem Gewicht und damit der
Erhöhung
der Tragfähigkeit
und der Dynamikeigenschaften des Roboters zugute. Zudem lassen sich
die Einzelteile des Roboters auf diese Weise kostengünstig fertigen.
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Der
Roboter umfasst vorzugsweise einen Greifer, mit dem Gegenstände durch
den Roboter ergriffen und gehandhabt werden können. Dabei kann der Antrieb
des Greifers beispielsweise durch einen Bowdenzug bzw. eine biegsame
Welle erfolgen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
erfolgt jedoch der Antrieb des Greifers über einen unmittelbar am Greifer
angeordneten Getriebemotor. Da zur Betätigung des Greifers keine hohen
Motorleistungen erforderlich sind, kann der Greiferantrieb verhältnismäßig klein
ausfallen, und trägt
damit lediglich einen geringen Gewichtsanteil zur Masse des Roboterarms bei.
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Die
Erfindung lässt
sich unabhängig
von Art und Ausführung
der Energiewandler bzw. elektrischen Antriebe des Roboterarms verwirklichen.
Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfasst jedoch der Antrieb des Roboters, insbesondere
der Antrieb der Armglieder des Roboterarms, eine Anzahl von Schrittmotoren.
Die Verwendung von Schrittmotoren ist insofern vorteilhaft, als
sich Schrittmotoren besonders einfach ansteuern lassen, beispielsweise über einen
handelsüblichen
PC mit einer zusätzlichen
Steckkarte und der zugehörigen
Steuerungssoftware. Auch ist bei der Verwendung von Schrittmotoren
die genaue Übereinstimmung
der Drehwinkelposition der Motorachse mit den jeweiligen Steuersignalen
unter fast allen Umständen
gegeben, so dass ggf. auf Sensoren zur Erfassung der Drehwinkelposition
bzw. der Relativwinkelstellung der Armglieder des Roboterarms verzichtet
werden kann, was wiederum zu Vereinfachungen und Kostenreduzierungen
führt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele
darstellender Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 in schematischer perspektivischer Darstellung
eine Ausführungsform
eines Roboters gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 in perspektivischer Darstellung
den Roboter gemäß 1 in einer schrägen Aufsicht
auf Zwischenrollen und Riementriebe des Roboterarms;
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3 in schematischer Darstellung
die Aufsicht gemäß 2; und
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4 in einer 1 entsprechenden Darstellung den Motorträger des
Roboters gemäß 1.
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1 zeigt in schematischer
Darstellung den Zusammenbau eines erfindungsgemäßen Roboters 1.
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Man
erkennt zunächst
einmal den Sockelbereich 2, der eine stabile und kippsichere
Standbasis für
den Roboter 1 bildet, sowie den Roboterarm 3, der
drei gegeneinander schwenkbare Armglieder 4, 5, 6 sowie
einen Greifer 7 aufweist, wobei der Greifer 7 außer der
eigentlichen Greifbewegung der Zangen 8 auch eine Rotationsbewegung
um seine eigene Achse 9 ausführen kann.
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Der
besseren Darstellung halber sind in 1 die
Zahnriemen zum Antrieb der Armglieder 4, 5, 6 sowie
zum Antrieb der Rotationsbewegung des Greifers 7 nicht
dargestellt. Sehr gut erkennbar sind in 1 jedoch die Zwischenrollen-Pakete 10, 11, 12,
die auf Zwischenwellen 13, 14, 15 drehbar
gelagert sind, wobei die Riementriebe des Roboterarms über die
Riemenscheiben- bzw. Zwischenrollen-Pakete 10, 11, 12 geführt sind.
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Bereits
aus 1 geht hervor, dass
der Roboterarm 3 des erfindungsgemäßen Roboters 1 äußerst robust,
transparent und leicht aufgebaut ist, da der komplette Antrieb sämtlicher
Armglieder 4, 5, 6 des Roboterarms 1 im
Sockelbereich 2 des Roboters 1 angeordnet ist. Überdies
wird aus 1 auch ersichtlich,
dass die Zwischenwellen 13, 14, 15 nicht nur
die Lagerung für
die Zwischenrollen-Pakete 10, 11, 12 bilden.
Vielmehr stellen die Zwischenwellen 13, 14, 15 gleichzeitig
auch die Schwenkachsen 13, 14, 15 dar,
auf denen die Armglieder 4, 5, 6 des
Roboters 1 gegeneinander schwenkbeweglich gelagert sind.
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Aus 1 geht schließlich auch
die Ausführung
des Schwenkantriebs für
die Vertikalachse 16 des Roboters 1 hervor, wobei
auch hier der Antriebsriemen des Schwenkantriebs selbst nicht dargestellt ist.
Der Schwenkantrieb erfolgt über
einen Getriebemotor mit einem Abtriebsritzel 17, den zugehörigen, hier
nicht dargestellten Antriebsriemen, sowie über einen Riemenkranz, der
zwischen der oberen Deckplatte 18 des Sockelbereichs 2 des
Roboters 1 und der Armgrundplatte 19 des Roboterarms 3 verdeckt und
gut geschützt
angeordnet ist.
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2 zeigt eine schräge Aufsicht
auf den Roboterarm 3 entlang der in 1 mit Pfeil 20 bezeichneten
Blickrichtung. Man erkennt zunächst
die drei Armglieder 4, 5, 6 des Roboterarms 1 sowie
die auf den Zwischenwellen 13, 14, 15 angeordneten Riemenscheiben-
bzw. Zwischenrollen-Pakete 10, 11, 12.
Die schematisierte Darstellung gemäß 3 entspricht im Wesentlichen der in 2 dargestellten Aufsicht
und dient der nochmaligen Verdeutlichung des Zusammenwirkens der
Zahnriemen und der Riemenscheibenpaare.
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Zum
besseren Verständnis
der Funktionsweise des Riementriebs für den Roboterarm 3 soll
im Folgenden der Antrieb des Armglieds 6 beschrieben werden.
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Armglied 6 ist
mit der Riemenscheibe 21 fest verbunden und zusammen mit
Riemenscheibe 21 über
Zwischenwelle 15 schwenkbeweglich am Armglied 5 angeordnet.
Die Schwenkbewegung des Armglieds 6 erfolgt mittels Antrieb
der Riemenscheibe 21 durch den Zahnriemen 22.
Zahnriemen 22 wiederum wird angetrieben über das
miteinander verbundene Riemenscheibenpaar 23, das Riemenscheibenpaar 23 wiederum – über einen
weiteren Zahnriemen 24 sowie ein weiteres Riemenscheibenpaar 25 – durch den
Antriebszahnriemen 26, welcher schließlich zum hier nicht sichtbaren
Abtriebsritzel 30 des hier ebenfalls nicht dargestellten
zugehörigen
Getriebemotors 29 führt.
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Somit
ergibt sich eine Kraftübertragung
vom Antriebsmotor 29 zum angetriebenen Armglied 6,
wie sie der einfacheren Darstellung halber nochmals schematisch
in 3 gezeigt ist.
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Auf ähnliche
Weise erfolgt der Antrieb des Armglieds 5, wie auch der
Antrieb der Rotationsbewegung des Greifers 7. Der Greiferantrieb
umfasst (anstelle eines Riemenscheibenpaars) überdies ein im Armglied 6 angeordnetes
zweistufiges Zahnradgetriebe 27 mit Kegelzahnradstufe.
Prinzipiell kann auf solche Weise auch der Antrieb der Greiferbewegung
der Zangen 8 des Greifers 7 selbst erfolgen. Bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die Greiferzangen 8 jedoch über einen in den Figuren nicht
sichtbaren Bowdenzug bzw. unmittelbar über einen kleinen Getriebemotor
betätigt,
da auf diese Weise Bauraum eingespart werden kann, zumal die Greiferzangen 8 selbst
nur eine geringe Leistungsdichte ihres Antriebs erfordern.
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Eine
Besonderheit des erfindungsgemäßen Antriebs
des Roboterarms 3 liegt darin, dass sich beim Antrieb eines
der Armglieder 4, 5, 6 jeweils ausschließlich die
Winkelstellung des gerade angetriebenen Armglieds verändert, während aufgrund
der Anordnung der mehrstufigen Riementriebe der Absolutwinkel (relativ
zur Umgebung) sämtlicher
anderer Armglieder unverändert
bleibt. Dies erleichtert sowohl die Ausführung bestimmter Bewegungsabläufe als
auch die eigentliche Programmierung und Steuerung des Roboters 1.
Auch dies kommt der Eignung des erfindungsgemäßen Roboters 1 für den Einsatz in
Schulen oder Ausbildungsstätten
in vorteilhafter Weise zugute.
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4 schließlich zeigt den im Sockelbereich 2 des
Roboters 1 angeordneten, mit dem Roboterarm 3 drehfest
verbundenen Motorträger 28 im
ausgebauten Zustand. Man erkennt zunächst die vier Getriebemotoren 29 mit
ihren jeweiligen Abtriebsritzeln 30. Jeder der Getriebemotoren 29 ist
für den
Antrieb eines der Armglieder 4, 5, 6 des
Roboterarms 1, bzw. für
den Antrieb der Rotationsbewegung des Greifers 7, über die
jeweiligen Zahnriementriebe zuständig. Dank
der in Langlöchern 31 verschraubten
Motorträger 32 lässt sich
die Spannung der Antriebszahnriemen sehr einfach und wirkungsvoll
einregulieren.
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Im
Ergebnis wird somit deutlich, dass dank der Erfindung ein Roboter
geschaffen wird, der aufgrund seines besonders kompakten, einfachen
und dabei gleichzeitig robusten Aufbaus geringes Gewicht mit zuverlässiger Funktion
verbindet. Diese vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Roboters
werden bei vergleichsweise geringen Herstellungskosten erreicht,
was dem erfindungsgemäßen Roboter
eine weite Verbreitung ermöglicht.
Aufgrund seines modularen, transparenten Aufbaus und aufgrund der
einfach herstellbaren und montierbaren Einzelteile bzw. Module eignet
sich der erfindungsgemäße Roboter
insbesondere auch zum didaktischen Einsatz in Schulen oder Ausbildungsstätten.
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Obwohl
der erfindungsgemäße Roboter nicht
auf den didaktischen Einsatz beschränkt ist, leistet die Erfindung
damit einen wesentlichen Beitrag zur qualitativen und inhaltlichen
Verbesserung der technischen Berufsausbildung und der beruflichen
Weiterbildung.
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- 1
- Roboter
- 2
- Sockelbereich
- 3
- Roboterarm
- 4
- Armglied
- 5
- Armglied
- 6
- Armglied
- 7
- Greifer
- 8
- Zangen
- 9
- Greiferlängsachse
- 10
- Zwischenrollen
- 11
- Zwischenrollen
- 12
- Zwischenrollen
- 13
- Zwischenwelle,
Schwenkachse
- 14
- Zwischenwelle,
Schwenkachse
- 15
- Zwischenwelle,
Schwenkachse
- 16
- Vertikalachse
- 17
- Abtriebsritzel
- 18
- Obere
Deckplatte
- 19
- Armgrundplatte
- 20
- Blickrichtung
- 21
- Riemenscheibe
- 22
- Zahnriemen
- 23
- Riemenscheibenpaar
- 24
- Zahnriemen
- 25
- Riemenscheibenpaar
- 26
- Antriebszahnriemen
- 27
- Zahnradgetriebe
- 28
- Motorträger
- 29
- Getriebemotoren
- 30
- Abtriebsritzel
- 31
- Langlöcher
- 32
- Motorträger