Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe für einen Roboter, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Das flexible Ringelement steht mit dem starren Ringelement zur Übertragung eines Dreh moments im Zahneingriff. Ferner betrifft die Erfindung auch einen Roboter mit einem Wellgetriebe.

Aus der DE 102018 123915 A1 geht ein Wellgetriebe, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend lokal radial verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Die Au ßenverzahnung des flexiblen Ringelements steht zur Übertragung eines Drehmo ments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des star ren Ringelements im Zahneingriff. Der Wellgenerator umfasst ein unrund ausgebilde tes Lagerelement, bestehend aus einem Innenring, einem Außenring sowie radial da zwischen angeordneten Wälzkörpern. Das Lagerelement ist als Pendelrollenlager ausgebildet und der Innenring ist drehfest mit einer Welle verbunden. Der Außenring und das flexible Ringelement sind zwei separate Bauteile, die drehfest miteinander verbunden sind.

In der Regel weist der Außenring eine Spielpassung zu dem flexiblen Ringelement auf. Eine Veränderung der Spielpassung führt zu einer Veränderung der Steifigkeit des Wellgetriebes, insbesondere der Steifigkeit zwischen dem Außenring und dem flexiblen Ringelement sowie zwischen dem flexiblen Ringelement und dem starren Ringelement. Mit zunehmendem Spiel der Spielpassung wird das Wellgetriebe weich, wodurch Probleme bei der Regelung im Nulldurchgang und Positionierungsungenau igkeiten entstehen. Mit abnehmendem Spiel der Spielpassung kann es zu Über gangspassungen kommen, wobei sich die Reibung und der Verschleiß im Wellgetrie be erhöhen, wodurch die Effizienz des Wellgetriebes sinkt. Daher ist die Einstellung des Spiels für die Spielpassung des Wellgetriebes ein Wesentlicher Aspekt, insbe sondere bei Roboteranwendungen, weil diese möglichst präzise und reibungsarme Getriebe benötigen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wellgetriebe für einen Roboter zu entwi ckeln, wobei das Wellgetriebe besonders präzise sowie verschleißarm sein soll. Ins besondere soll das Wellgetriebe eine hohe Lebensdauer aufweisen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.

Ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe für einen Roboter umfasst ein von einem Well generator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit ei ner Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung, wobei die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmo ments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des star ren Ringelements im Zahneingriff steht, wobei der Wellgenerator ein unrund ausgebil detes Lagerelement aufweist, wobei das Lagerelement zumindest Wälzkörper und ei nen Innenring mit einer ersten Laufbahn für die Wälzkörper aufweist, wobei das La gerelement zumindest teilweise in das flexible Ringelement axial hineinragt, und wo bei der Innenring drehfest mit einer Welle verbunden ist, wobei an dem flexiblen Rin gelement eine zweite Laufbahn für die Wälzkörper ausgebildet ist.

Der Wellgenerator, auch Wave Generator genannt, steht mit der Welle in Wirkverbin dung, wobei die Welle vorzugsweise von einer elektrischen Maschine angetrieben ist, um den Wellgenerator in eine Rotationsbewegung zu versetzen. Beispielsweise wei sen der Wellgenerator, insbesondere der Innenring des Lagerelements eine elliptische oder ovale Querschnittsform auf. Der Innenring und die Welle sind vorzugsweise zwei separate Bauteile, wobei der Innenring zur Realisierung einer drehfesten Verbindung beispielsweise auf der Welle aufgepresst ist. Alternativ ist denkbar, den Innenring und die Wellte einteilig auszubilden. Der Wellgenerator ist die Antriebseinheit des Wellge triebes und wird, im Fall einer zweiteiligen Ausgestaltung der Welle und des Innen rings, vorzugsweise zusammen mit dem Lagerelement in das flexible bzw. elastisch verformbare Ringelement eingepresst. Beispielsweise ist die Welle als Hohlwelle aus gebildet. Alternativ kann die Welle auch als Vollwelle ausgebildet sein.

Das flexible Ringelement wird auch Flexspline genannt und ist ein hochfestes sowie torsionssteifes Hülsenelement. Es ist derart flexibel ausgebildet, dass es den Wellge- nerator mit dem Lagerelement zumindest teilweise axial aufnehmen kann, und dabei in Abhängigkeit der äußeren Form des Wellgenerators lokal verformbar ist. Insbeson dere wird die äußere Form des Wellgenerators durch die Wälzkörper insbesondere durch die zweite Laufbahn für die Wälzkörper gebildet, wobei die Wälzkörper radial zwischen dem flexiblen Ringelement und dem Innenring angeordnet sind. Mithin kommen die Wälzkörper des Lagerelements zum einen unmittelbar an der Außenum fangsfläche des Innenrings zur Anlage, wobei die erste Laufbahn für die Wälzkörper an der Außenumfangsfläche des Innenrings ausgebildet ist. Zum anderen kommen die Wälzkörper des Lagerelements unmittelbar an der Innenumfangsfläche des flexib len Ringelements zur Anlage, wobei die zweite Laufbahn für die Wälzkörper an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements ausgebildet ist. Weil ein Außenring nicht existent ist, entfällt eine Spielpassung zwischen dem Außenring und dem flexib len Ringelement, wobei dies dazu führt, dass die Spielpassung nicht variabel ist und somit die Steifigkeit des Wellgetriebes konstant bleibt, wodurch die Präzision und die Effizienz des Wellgetriebes erhöht werden. Mit anderen Worten entfällt der Außenring des Lagerelements bzw. die Funktion des Außenrings des Lagerelements wird in die Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements integriert. Das flexible Ringelement weist zumindest eine offene axiale Seite zur Aufnahme des Wellgenerators mit dem Lagerelement auf, wobei die Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements zur Auf nahme und zum Abwälzen der Wälzkörper des Lagerelements eingerichtet ist.

Während des Betriebs des Wellgetriebes wird der Wellgenerator rotiert, wodurch die Welle und der Innenring des Lagerelements relativ zum flexiblen Ringelement ver dreht werden. Dabei verformt das flexible Ringelement analog zu der Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des Wellgenerators elastisch. Anders gesagt wird der Well generator während des Betriebs des Wellgetriebes in eine Rotationsbewegung ver setzt, die bewirkt, dass das flexible Ringelement eine umlaufende Verformung erfährt.

Bevorzugt steht die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf die Rotationsachse des Wellgenerators, zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen zumindest teilweise mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff. Dadurch lässt sich eine gleichmäßige Krafteinleitung bzw. Kraftweiterleitung realisieren und das Wellgetriebe kann platzsparend ausgebildet werden. Das starre Ringelement, auch Circular Spline genannt, ist ein torsionssteifer, starrer Ring, dessen Innenverzahnung mehr Zähne aufweist als die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements. Insbesondere ist das starre Ringelement als Hohlrad ausge bildet. Die Drehung des Wellgenerators bewirkt einen permanenten, umlaufenden Zahneingriff von dem flexiblen Ringelement und dem starren Ringelement. Anders gesagt bewegen sich die gegenüberliegenden Zahneingriffsbereiche während der Ro tation des Wellgenerators kontinuierlich um die Rotationsachse des Wellgenerators bzw. in Umfangsrichtung. Da das flexible Ringelement weniger Zähne aufweist als das starre Ringelement, bewirkt eine Drehung des Wellgenerators eine Relativbewegung des flexiblen Ringelements zum starren Ringelement. Dabei erfolgt ein Abrollen der Wälzkörper des Lagerelements zwischen dem Innenring und dem flexiblen Ringele ment.

Insbesondere ist das flexible Ringelement zumindest mit der Außenverzahnung und der zweiten Laufbahn einteilig ausgebildet. Mithin ist das flexible Ringelement zumin dest mit der Außenverzahnung und der zweiten Laufbahn monolithisch ausgebildet und bündelt zumindest die Verzahnungsfunktionen für das starre Ringelement an der Außenumfangsfläche des flexiblen Ringelements mit den Laufbahnfunktionen für die Wälzkörper an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements.

Vorzugsweise ist das Lagerelement als einreihiges Kugellager ausgebildet. Mithin sind die Wälzkörper des Lagerelements kugelförmig ausgebildet. Das Kugellager ermög licht große Verformungen des flexiblen Ringelements im Umfang ebenso wie radiale Kippbewegungen eines Kragens des flexiblen Ringelements. Mit anderen Worten hat das Kugellager eine Gelenkfunktion. Das als Kugellager ausgebildete Lagerelement weist eine Vielzahl von als Kugeln ausgebildeten Wälzkörpern auf, die räumlich zwi schen einer Außenumfangsfläche des Innenrings und der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements beabstandet zueinander angeordnet sind und abrollen. Durch die Ausbildung des Lagerelements als einreihiges Kugellager wird insbesondere die Reibung des Wellgetriebes verringert und somit die Effizienz erhöht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper in ei nem Käfig geführt. Vorzugsweise ist der Käfig aus einem Polymerwerkstoff ausgebil det. Dadurch wird insbesondere der Verschleiß an den Wälzkörpern gesenkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper in ei ner ersten Nut an der Außenumfangsfläche des Innenrings geführt. Insbesondere ist die erste Nut dazu eingerichtet, die Wälzkörper des Lagerelements zumindest teilwei se aufzunehmen, wobei die Geometrie der ersten Nut zumindest teilweise korrespon dierend zu der Geometrie der Wälzkörper ausgebildet ist. Insbesondere ist die erste Laufbahn für die Wälzkörper des Lagerelements zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig in der ersten Nut ausgebildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkör per in einer zweiten Nut an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements ge führt. Insbesondere ist die zweite Nut dazu eingerichtet, die Wälzkörper des La gerelements zumindest teilweise aufzunehmen, wobei die Geometrie der zweiten Nut zumindest teilweise korrespondierend zu der Geometrie der Wälzkörper ausgebildet ist. Insbesondere ist die zweite Laufbahn für die Wälzkörper des Lagerelements zu mindest teilweise, vorzugsweise vollständig in der zweiten Nut ausgebildet.

Vorzugsweise ist die zweite Laufbahn für die Wälzkörper in einem Bereich des flexib len Ringelements ausgebildet, der radial entgegengesetzt und in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung angeordnet ist. Mit anderen Worten wälzen die Wälz körper in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung am flexiblen Ringelement. Vorliegend ist unter einer in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung ange ordneten zweiten Laufbahn zu verstehen, dass diese nur einen geringfügigen axialen Versatz zu einer axialen Mitte eines Zahnes aufweisen darf, und somit höchstens ei nen axialen Versatz aufweist, der nicht höher als ein Radius der Wälzkörper ist. Dadurch wird ein besonders sauberer und effizienter Zahneingriff realisiert.

Die Erfindung betrifft auch einen Roboter, umfassend ein erfindungsgemäßes Wellge triebe. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Wellgetriebe in einem Gelenk für ei nen Roboterarm angeordnet und wirkt zumindest mittelbar zwischen zwei Roboter armsegmenten. Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt

Figur 1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines erfindungsge mäßen Wellgetriebes,

Figur 2 eine vereinfachte schematische Teillängsschnittdarstellung des Wellge triebes gemäß Figur 1, und

Figur 3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines nur teilweise darge stellten Roboters mit einem erfindungsgemäßen Wellgetriebe.

Gemäß den Figuren 1 und 2 umfasst ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe 1 einen Wellgenerator 2, der ein Lagerelement 6 mit einem Innenring 8 und mit einer Vielzahl von Wälzkörpern 7 aufweist. Die Wandstärke des Innenrings 8 ist übertrieben darge stellt. Die Wälzkörper 7 sind beabstandet zueinander in einem Käfig 10 geführt, wobei der Käfig 10 aus einem Polymerwerkstoff ausgebildet ist. Das Lagerelement 6 ist als einreihiges Kugellager ausgebildet, sodass die Wälzkörper 7 kugelförmig geformt sind. Der Innenring 8 weist eine erste Laufbahn 8a für die Wälzkörper 7 auf. Die erste Laufbahn 8a ist in einer ersten Nut 8b umlaufend an der Außenumfangsfläche des In nenrings 8 ausgebildet. Mithin wälzen die Wälzkörper 7 in der ersten Nut 8b an der Außenumfangsfläche des Innenrings 8 ab. Der Wellgenerator 2 umfasst ferner eine Welle 9, auf die der Innenring 8 zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung aufge schrumpft ist, wobei der Wellgenerator 2 über die Welle 9 von einem - hier nicht dar gestellten - Elektromotor in eine Rotationsbewegung versetzbar ist. Vorliegend ist die Welle 9 als Hohlwelle ausgebildet.

Ferner weist das Wellgetriebe 1 ein von dem Wellgenerator 2 umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement 3 mit einer Außenverzahnung 3a und ein starres Ringelement 4 mit einer Innenverzahnung 4a auf. Die Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3 steht zur Übertragung eines Drehmoments an, bezo gen auf eine Rotationsachse 11 des Wellgenerators 2, zwei symmetrisch gegenüber- liegenden Zahneingriffsbereichen 5a, 5b mit der Innenverzahnung 4a des starren Rin gelements 4 im Zahneingriff. Das starre Ringelement 4 ist als Hohlrad ausgebildet. An dem flexiblen Ringelement 3 ist eine zweite Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 ausge bildet. Das flexible Ringelement 3 ist mit der Außenverzahnung 3a und der zweiten Laufbahn 3b einteilig ausgebildet. Ferner ist an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 eine zweite Nut 3c ausgebildet, wobei die Wälzkörper 7 in der zweiten Nut 3c an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 geführt sind. Die zweite Laufbahn 3b ist in der zweiten Nut 3c an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 ausgebildet. Mithin wälzen die Wälzkörper 7 in der zweiten Nut 3c an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 ab. Die Wälzkörper 7 folgen der exzentrischen Form der ersten Laufbahn und verformen dadurch das flexible Rin gelement 3 mit der Außenverzahnung 3a. Aufgrund der geringfügig unterschiedlichen Anzahl von Zähnen zwischen der Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3 und der Innenverzahnung 4a des starren Ringelements 4, entsteht eine hohe Über setzung zwischen der Welle 9 und dem starren Ringelement 4.

Gemäß Figur 2 ragt das Lagerelement 6 vollständig in das flexible Ringelement 3 axial hinein. Ferner ist die zweite Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 in einem Bereich des flexiblen Ringelements 3 ausgebildet, der radial entgegengesetzt und in axialer Rich tung mittig zu der Außenverzahnung 3a angeordnet ist. Mit anderen Worten ist ein axialer Versatz der zweiten Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 von der axialen Mitte der Außenverzahnung 3a am flexiblen Ringelement 3 nicht größer als ein Radius der Wälzkörper 7. Dadurch wird ein besonders effizienter Zahneingriff realisiert. In Figur 2 wurde zur Vereinfachung auf die Darstellung des starren Ringelements 4 verzichtet. Ferner ist die Wandstärke des flexiblen Ringelements 3 übertrieben dargestellt.

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines Roboters 12. Zwischen einem ersten Roboter armsegment 12a und einem zweiten Roboterarmsegment 12b ist ein Gelenk 13 ange ordnet, das die beiden Roboterarmsegmente 12a, 12b gelenkig miteinander verbindet. Zur Veränderung der Position der beiden Roboterarmsegmente 12a, 12b zueinander weist der Roboter 12 eine Antriebseinheit 14 auf, umfassend einen Elektromotor 15 und ein Wellgetriebe 1 gemäß den Figuren 1 und 2. Bezuqszeichenliste

1 Wellgetriebe

2 Wellgenerator 3 flexibles Ringelement

3a Außenverzahnung an dem flexiblen Ringelement 3b zweite Laufbahn an dem flexiblen Ringelement 3c zweite Nut an dem flexiblen Ringelement 4 starres Ringelement 4a Innenverzahnung an dem starren Ringelement 5a, 5b Zahneingriffsbereich 6 Lagerelement

7 Wälzkörper

8 Innenring 8a erste Laufbahn an dem Innenring 8b erste Nut an dem Innenring

9 Welle

10 Käfig 11 Rotationsachse 12 Roboter 12a erster Roboterarmsegment 12b zweiter Roboterarmsegment

13 Gelenk

14 Antriebseinheit 15 Elektromotor