DE3303497A1 - Mehrgelenk-manipulator - Google Patents
Mehrgelenk-manipulatorInfo
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Manipulator (AREA)
Description
D-8Ö90 Muneh'eri feo Sckellstrasse 1
" * · Telefon (089J -44Ö24 96
Telex 5215935 Telegramme patemus munchen
Patentanwalt Dr.-lng. R. Liesegang
zugelassen beim Europäischen Patentamt - admitted to the European Patent Office — Mandataire agreö aupres I Oflice European des Brevets
-X-
Mehrgelenk-Manipulator
Die Erfindung betrifft einen Mehrgelenk-Manipulator mit Ober- und Unterarm. Insbesondere betrifft die Erfindung
einen Mehrgelenk-Manipulator, bei welchem das Primärmoment, welches durch die Gesamtschwerkraft des Unterarms erzeugt
wird, der von einem Ellbogengelenk zur schwenkbaren Verbindung des Oberarms mit dem Unterarm unterstützt ist und
am freien Ende eine Arbeitsvorrichtung aufweist, dadurch minimiert wird, daß ein dem Primärmoment entgegengerichtetes
Moment erzeugt wird, so daß die Belastung eines Elektromotors zum Antreiben des Ellbogengelenks vermindert
wird.
Allgemein stellt ein Mehrgelenk-Manipulator ein Gerät dar, welches in Fig. 1 von der Seite gesehen dargestellt ist.
Bei dem Mehrgelenk-Manipulator nach Fig. 1 ist ein Hauptkörper 2 auf einer Grundplatte 1 montiert, die am Boden
so befestigt ist, daß sie um eine zum Boden ebene senkrechte Achse gedreht werden kann; ein Ende eines Oberarms "4 ist
schwenkbar von einem Schultergelenk 3 des Hauptkörpers 2 unterstützt; ein Ende eines Unterarms 6 ist schwenkbar an
einem Ellbogengelenk 5 am anderen Ende des Oberarms 4 unterstützt, und eine Arbeitsvorrichtung7wie ein drehbarer
Greifer, ist am distalen oder freien Ende des Unterarms 6 angeordnet.
Gemäß Fig. 1 ist der Oberarm 4 in Richtung des Doppelpfeiles
A um das Schultergelenk als Drehmitte bezüglich des Hauptkörpers mittels einer Antriebsvorrichtung, wie
eines Elektromotors,zum Antrieb des Oberarms schwenkbar. Der Unterarm 6 ist in Richtung des Doppelpfeiles B um
das Ellbogengelenk 5 als Drehmitte bezüglich des Oberarms mittels einer Antriebsvorrichtung, wie eines Elektromotors,
zum Antrieb des Unterarms schwenkbar. In Fig. 1 sind der Elektromotor zum Antrieb der Arme und Ubertragungsvorrichtungen
nicht eingezeichnet.
Bei dem·Gerät nach Fig. 1 wirkt selbst im Ruhezustand des
Oberarms 4 und des Unterarms 6 ein im Uhrzeigersinn drehendes Primärmoment sowohl auf das Schultergelenk als auch auf das
Ellbogengelenk 5 aufgrund der Schwerkräfte auf die entsprechenden
Elektromotoren zum Antrieb. Wenn diese Motoren angetrieben werden, müssen sie das jeweilige Primärmoment,
. wie oben beschrieben, überwinden, was eine nutzlose Belastung ebenso darstellt wie das Sekundärmoment der Masse
(Trägheitsmoment). Demgemäß ist es erforderlich, einen Elektromotor und einen Antriebsmechanismus mit größerer
Leistung zum Antrieb des gesamten Gerätes und zusätzlich zur Überwindung der nutzlosen Belastung durch das Primärmoment
in Vergleich zu einem Fall einzusetzen, bei dem nur das·Sekundärmoment überwunden werden muß..Dies führt zu
einer aufwendigen Herstellung und zu nutzlosem Energieverbrauch.
Die Erfindung zielt darauf ab, das durch das Gewicht des Unterarms 6 erzeugte Primärmoment durch eine einfache
Konstruktion zu vermeiden. Es wurden bereits zwei Möglichkeiten zum Ausschalten des Einflusses des Primärmomentes
vorgeschlagen: ein dynamisches Ausgleichssystem, bei welchem eine die Schwerkraft kompensierende Reaktionskraft
mittels Luftdruck, einer Feder o. dgl. auf einen
'■-y-
Mehrgelenk-Manipulator ausgeübt wird, sowie ein statisches
Ausgleichssystem, bei welchem die Masse konstruktiv so verteilt ist, daß die durch die Schwerkraft erzeugten Primärmomente
im wesentlichen an den oben beschriebenen Gelenken eliminiert werden. Im folgenden ist das dynamische Ausgleichssystem
erläutert.
Das auf das Ellbogengelenk 5 wirkende Primärmoment wird maximal, wenn der Unterarm 6 in horizontaler Stellung steht,
und es wird zu Null, wenn der Unterarm vertikal steht.
Demgemäß kann ein dynamisches Ausgleichssystem mit be- . friedigenden Eigenschaften leicht durch Aufbringen einer
Kompensationskraft derart geschaffen werden, daß abhängig von dem Relativwinkel zwischen dem Hauptkörper 2
5 und dem Oberarm 4 die maximale Kompensationskräft auf das Schultergelenk
3 ausgeübt wird, wenn der Oberarm 4 horizontal zur Bodenebene steht, und daß keine Kompensationskraft ausgeübt
wird, wenn er vertikal steht.
Bezüglich des Ellbogengelenks 5 besteht jedoch keinerlei Einschränkung für die Winkelstellung des Oberarms 4
zur Bodenebene. Es ist deshalb unmöglich, das durch die Schwerkraft erzeugte Primärmoment selbst durch
Aufbringen einer mit dem Relativwinkel zwischen Oberarm und Unterarm variierenden Kompensationskraft zu eliminieren.
Mit anderen Worten muß der dynamische Ausgleich am Ellbogengelenk 5 durch eine Kompensationskraft geschaffen
werden, die vom Relativwinkel des Unterarms 6 zur Boden- · ebene abhängt.
Es ist.Hauptaufgabe der Erfindung, einen exakten dynamischen
Ausgleich des Primärmoments am Ellbogengelenk eines Mehrgelenk-Manipulators mittels einer einfachen Konstruktion
zu erzielen.
Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, die Belastung
einer Antriebsvorrichtung, wie eines Elektromotors, zum
Antreiben des Unterarms eines Mehrgelenk-Manipulators zu vermindern, um eine Verbesserung in wirtschaftlicher
Hinsicht zu schaffen.
5
5
Ferner soll mit der Erfindung das auf den Unterarm wirkende Primärmoment eines Mehrgelenk-Manipulators reduziert
werden , ohne hierfür spezielle Antriebsquellen und Ubertragungsvorrichtungen nutzen zu müssen.
Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich ein Mehrgelenk-Manipulator
gemäß der Erfindung aus durch einen Oberarm, dessen eines Ende schwenkbar von einem Schultergelenk
eines Hauptkörpers so unterstützt ist, daß der Oberarm um das Schultergelenk drehen kann; einen Unterarm, dessen
eines Ende von einem Ellbogengelenk am anderen Ende des Oberarms so unterstützt ist, daß der Unterarm um das Ellbogengelenk
drehen kann; eine am freien Ende des Unterarms angeordnete Arbeitsvorrichtung; ein am Unterarm angebrachtes
ersten Kettenrad, dessen Mitte koaxial mit der Drehmitte des Ellbogengelenks ist; ein zweites, drehbar
am Schultergelenk angeordnetes Kettenrad, dessen Mitte koaxial mit der Drehmitte des Schultergelenks ist; eine
übertragungsvorrichtung zum Koppeln der beiden Kettenräder 5 derart, daß diese um denselben Drehwinkel verdreht werden
und einen Drehmomenterzeuger, dessen eines Ende am Hauptkörper und dessen anderes Ende am zweiten Kettenrad befestigt
sind, um ein maximales Drehmoment dann auszuüben, wenn der Unterarm horizontal steht, und ein minimales
Drehmoment auszuüben, wenn der Unterarm vertikal steht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der Hauptbestandteile eines Mehrgelenk-Manipulators;
Fig. 2 und 3 Ansichten wie Fig. 1 einer ersten Ausführung eines Mehrgelenk-Manipulators in unterschiedlichen
Stellungen und
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer zweiten Aus-' führung eines Mehrgelenk-Mänipulators gemäß
der Erfindung.
Im folgenden sind die bevorzugten Ausführungen des Mehrgelenk-Manipulators
nach der Erfindung detailliert beschrieben.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführung der Erfindung. Bei
dieser Ausführung ist die Beschreibung eines Mittels zum Eliminieren des auf den Oberarm 4 wirkenden Primärmomentes
weggelassen/ gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 1 sind für gleiche oder entsprechende Teile verwendet, und eine
nochmalige Beschreibung ist unterlassen.
In den Fig. 2 und 3 ist ein erstes Kettenrad 8 an einem Unterarm 6 derart befestigt, daß die Kettenradmitte mit
der Drehmitte eines Ellbogengelenks 5 zusammenfällt, und
ein zweites Kettenrad 9 mit gleichem Durchmesser und gleicher Teilung wie das erste Kettenrad 8 ist drehbar
am Oberarm so angebracht, daß die Mitte des zweiten Ketten-
rades koaxial mit der Drehmitte des 'Schultergelenks 3 ist. Diese Kettenräder 8, 9 sind mittels einer Ubertragungs- '
Vorrichtung 10, wie einer Kette, eines Steuergurtes (Zahnriemen) ο. dgl. so verbunden, daß sie damit kämmen. Das
zweite Kettenrad 9 rotiert also unbeachtlich einer Winkeländerung des Oberarms 4 bezüglich der Bodenoberfläche,
wird aber vermöge der übertragungsvorrichtung 10 mit
exakt der gleichen Winkeländerung gedreht, wie sie der Unterarm bezüglich der Bodenebene ausführt.
Ein Verbindungsstift 11 ist an einem Teil des Hauptkörpers
'2 befestigt,und ein gesonderter Verbindungsstift
ist am zweiten Kettenrad 9 selbst oder an einem damit verbundenen Teil gemäß Fig. 2 so befestigt , daß bei horizontal
zur Bodenebene stehendem Unterarm 6, d. h. bei einem Relativwinkel von 0°, der Verbindungsstift 13 auf einer
die Drehmitte des Kettenrades 9 und den Verbindungsstift verbindenden Geraden liegt, welche senkrecht zu einer den
Verbindungsstift 11 und die Drehmitte des .Schultergelenks
verbindenden Geraden 12 steht.Zwisehen · den Verbindungsstiften
11,13 ist eine Feder 14 als Drehmomenterzeuger angeordnet,
welche eine Federwirkung ausübt, um im wesentlichen das durch die Schwerkraft auf den Unterarm 6 bei
dieser Stellung ausgeübte Primärmoment zu eliminieren.
Wenn der Unterarm 6 eine Stellung relativ zur Bodenebene mit einem senkrechten Winkel nach oben oder unten einnimmt,
wird das zweite Kettenrad 9 um 90° im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn aus dem Zustand gemäß Fig. 2
gedreht, um den Verbindungsstift 13 auf die Gerade 12 zu
bringen. Demgemäß übt die Zugkraft der Feder 14 in diesem Fall kein Drehmoment auf das zweite Kettenrad 9 aus. Wenn
• nämlich der Unterarm 6 eine zur Bodenebene senkrecht nach oben geneigte Stellung gemäß Fig. 3 einnimmt, wird kein
Drehmoment auf das zweite Kettenrad 9 durch Zugkraft der Feder 14 ausgeübt.
Unter der Annahme, daß der relative Stellungswinkel gemäß Fig. 2 Null ist und daß die Feder 14 stets auf den Verbindungsstift
13 mit konstanter Kraft parallel zur Geraden 12 einwirkt, variiert das auf das zweite Kettenrad
durch die Feder 14 aufgebrachte Drehmoment nach einer Kosinus-Funktion. Andererseits variiert auch das
durch die Schwerkraft auf das zweite Kettenrad 9 vom Unterarm 6 ausgeübte Primärmoment nach einer Kosinus-Funktion.
Demgemäß kann bei derart idealisierten Bedingungen das durch die Schwerkraft auf das Ellbogengelenk
5 ausgeübte Primärmoment vollständig kompensiert werden.
Da in der Praxis die Feder 14 eine begrenzte Länge hat, ist die Zugkraft nicht konstant, und der Verbindungsstift 13 kann nicht so angeordnet werden, daß die Feder
parallel zur Geraden 12 zieht, so daß die oben beschriebenen Idealbedingungen nicht erreicht werden können. Jedoch
kann mit dem oben beschriebenen Mehrgelenk-Manipulator gemäß der Erfindung das Primärmoment auf ein Maß reduziert
werden, das in der Praxis keine Probleme bereitet.
Bei der beschriebenen Ausführung wird eine Feder verwendet.
Es ist jedoch auch möglich, eine pneumatische (oder hydraulische) Zylindervorrichtung mit konstantem Druck
zu verwenden, um die gleiche Wirkung zu erzielen.
Bei der beschriebenen Ausführung eines Mehrgelenk-Manipulators wird das durch die Schwerkraft hervorgerufene
Primärmoment.am Ellbogengelenk vermindert, so daß auch
wesentlich die Belastung eines Elektromotors zum Antrieb des Ellbogengelenkes vermindert wird.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung.
Die gleichen Bezugszahlen wie Fig. 2 bezeichnen gleiche oder entsprechende Teile. Auch in diesem Fall wird auf
eine Beschreibung eines Mittels zum Eliminieren des Primärmoments des Oberarms 4 verzichtet.
In Fig. 4 bezeichnet die Bezugszahl 15 die Welle eines Motors, der am Oberarm 4 zum Drehen des Unterarms 6 um
das Ellbogengelenk 5 als Drehmitte montiert ist. Auf der Welle 15 ist ein Kettenrad 16 zwischen den Kettenrändern
8, 9 befestigt. Diese Kettenräder 8, 9 sind mittels einer übertragungsvorrichtung,wie einer Kette,
eines Steuergurtes o. dgl. mit dem Kettenrad 16 so gekoppelt, daß eine Drehung der Welle 15 über das Kettenrad
16 und das erste Kettenrad 8 den Unterarm 6 verschwenkt. Die Drehung des zweiten Kettenrades 9 geschieht
jedoch relativ zu einer Schwenkung des Oberarms 4. Dap
zweite Kettenrad 9 ist nämlich so angeordnet, daß es unabhängig von der Winkelstellung des Oberarms 4 bezüglich
der Bodenebene dank der übertragungsvorrichtung 10 mit
einer genau der Winkeländerung des Unterarms 6 zur Bodenebene entsprechenden Winkeländerung dreht.
Bei dieser Ausführung sind ähnlich wie in Fig. 2 ein Verbindungsstift
11 an einem Teil des Hauptkörpers 2 und ein gesonderter Verbindungsstift 13 am zweiten Kettenrad 9
selbst oder an einem damit verbundenen Teil so angebracht, daß gemäß Fig. 4 bei Horizontalstellung des Unterarms 6
bezüglich der Bodenebene, d. h. bei einem Relativwinkel von 0°, der Verbindungsstift 13 auf.einer durch die Drehmitte
des Kettenrads 9 und durch den Stift 13 verlaufenden Geraden liegt, welche senkrecht zu einer den Verbindungsstift 11 mit der Drehmitte des Schultergelenks 3 verbindenden
Geraden 12.steht;Zwischen den Verbindungsstiften
11, 13 ist eine Feder 14 aufgespannt, welche eine Federwirkung zu dem Zweck ausübt, im wesentlichen das durch die
Schwerkraft des Unterarms 6 bei dieser Stellung ausgeübte Primärmoment zu eliminieren.
Wenn der Unterarm 6 eine Stellung mit einem Relativwinkel 5 senkrecht zur Bodenebene nach oben oder nach unten ein-
nimmt, ist das Kettenrad 9 im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn um 90° aus dem in Fig. 4 gezeigten Zustand
verdreht, so daß der Verbindungsstift 13 auf die Gerade 12
gebracht ist. Demgemäß übt die Zugkraft der Feder 14 kein Drehmoment auf das zweite Kettenrad 9 aus.
Unter der Annahme, daß ein relativer Stellungswinkel gemäß Fig. 4 Null ist und die Feder 14 am Verbindungsstift
mit einer konstanten Kraft stets parallel zur Geraden 12 zieht, variiert das von der Feder auf das zweite Kettenrad
9 ausgeübte Drehmoment nach einer-Kosinus-Funktion. Andererseits variiert auch das durch die Schwerkraft auf
das zweite Kettenrad 9 vom Unterarm 6 ausgeübte Primärmo^
ment nach einer Kosinus-Funktion. Demgemäß kann unter derart idealisierten Bedingungen das durch die Schwerkraft auf das
Ellbogengelenk 5 ausgeübte Primärmoment vollständig •kompensiert werden.
Da in der Praxis die Feder eine begrenzte Länge hat, die' Zugkraft nicht konstant ist und der Verbindungsstift 13
nicht so angeordnet werden kann, daß die Feder genau parallel zur Geraden 12 zieht, können die idealisierten
Bedingungen nicht erreicht werden. Jedoch kann der Mehrgelenk-Manipulator
gemäß der Erfindung das Primärmoment auf einen Wert vermindern, der bei der praktischen Anwendung
keine Probleme bereitete
Bei dieser Ausführung wird das Antriebsmoment des Motors zum Drehen des Unterarms 6 dazu ausgenutzt, das Primärmoment
des Unterarms 6mit der Folge zu verringern, daß es unnötig ist, spezielle Vorrichtungen wie eine besondere
Antriebsquelle und Ubertragungsvorrichtungen bzw. Getriebe einzusetzen.
5 Gemäß der Beschreibung wird eine Feder verwendet. Es ist
jedoch auch möglich, eine pneumatische Zylindervorrichtung mit konstantem Luftdruck zu verwenden, um dieselbe Wirkung
wie bei der oben beschriebenen Ausführung zu erzielen.
Bei der zuletzt beschriebenen Ausführung können das durch
die Schwerkraft auf das Ellbogengelenk ausgeübte Primärmoment und die Belastung eines Elektromotors zum Antreiben des Ellbogengelenkes wesentlich durch die beschriebene einfache Konstruktion vermindert werden, dergemäß die Antriebskraft des ifotors zur Verdrehung des Unterarmes eingesetzt wird.
die Schwerkraft auf das Ellbogengelenk ausgeübte Primärmoment und die Belastung eines Elektromotors zum Antreiben des Ellbogengelenkes wesentlich durch die beschriebene einfache Konstruktion vermindert werden, dergemäß die Antriebskraft des ifotors zur Verdrehung des Unterarmes eingesetzt wird.
Leersei te
Claims (11)
1) Mehrgelenk-Manipulator gekennze ichnet
durch
einen Oberarm (4) , dessen eines Ende schwenkbar von einem Schultergelenk (3) eines Hauptkörpers (2) so unterstützt
ist, daß der Oberarm um das Schultergelenk drehen kann;
einen Unterarm (6), dessen eines Ende von einem Ellbogengelenk (5) am anderen Ende des Oberarms (4) so unterstützt
ist, daß der Unterarm um das Ellbogengelenk
10 drehen kann;
eine am freien Ende des Unterarms (6) angeordnete Arbeitsvorrichtung
(7) ;
ein am Unterarm (6) angebrachtes erstes Kettenrad (8), dessen Mitte koaxial mit der Drehmitte des Ellbogen-
15 gelenks (5) ist;
ein zweites, drehbar am Schultergelenk (3) angeordnetes
Kettenrad (9), dessen Mitte koaxial mit der Drehmitte
des Schultergelenks ist;
eine übertragungsvorrichtung (10) zum Koppeln der beiden
Kettenräder (8,9) derart, daß diese um denselben Drehwinkel verdreht werden und
einen Drehmomenterzeuger (14)/ dessen eines Ende (bei 11)
am Hauptkörper (2) und dessen anderes Ende (bei 13) am zweiten Kettenrad (9) befestigt sind, um ein maximales
Drehmoment dann auszuüben, wenn der Unterarm (6) horizontal steht, und ein minimales Drehnoment auszuüben, wenn der
Unterarm vertikal steht.
2. Mehrgelenk-Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das andere Ende des Dreh-
momenterzeugers (14) am Umfangsbereich des zweiten Kettenrades
(9) befestigt ist.
3. Mehrgelenk-Manipulator nach Anspruch 2, dadurch g e kennzei
chnet, daß bei Horizontalstellung des Unterarms (6) das andere Ende des Drehmomenterzeuges (14)
auf einer Senkrechten zu einer die Drehmitte des Schultergelenks'
(3) und das eine Ende (11) des Drehmomenterzeuges
verbindenden Geraden (12) liegt.
4. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomenterzeuger
(14) von einer Feder gebildet ist.
5. Mehrgelenk-Manipulator nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeichnet,
daß beide Enden der Feder (14) mittels Verbindungsstiften (11,13) am Hauptkörper (2)
bzw. am zweiten Kettenrad (9) gehalten sind.
6. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5 3, dadurch gekennzeichnet , daß der
Drehmomenterzeuger (14) von einer Druckmittel-Zylindervorrichtung zum Erzeugen eines konstanten Druckes ge bildet
ist.
7. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsvorrichtung
(10) von einer Kette gebildet ist.
8. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichne t, daß die übertragungsvorrichtung
(10) von einem Steuergurt (Zahnriemen) gebildet ist.
9. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekenn ze i c h η e t, daß die Arbeitsvorrichtung (7) von einem drehbaren Greifer gebildet
ist.
10. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor am Oberarm (4) zum Drehen des Unterarms (6) um das Ellbogengelenk
(8) als Drehmitte vorgesehen ist, daß ein Kettenrad (16) auf der Motorwelle (15) des Motors angeordnet
ist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Kettenrad (8,9) liegt, und daß die übertragungsvorrichtung
das erste und das zweite Kettenrad(8,9) mit dem weiteren Kettenrad (16) zur Drehung des ersten und des
zweiten Kettenrades um den gleichen Winkel koppelt.
11. Mehrgelenk-Manipulator nach eAnspruch 10, dadurch g e kenn
ze ichnet, daß das weitere Kettenrad (16) in der Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten
Kettenrad (8,9) angeordnet ist.
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