DE3325973A1

DE3325973A1 - Gelenkmechanismus fuer industrieroboter u.ae.

Info

Publication number: DE3325973A1
Application number: DE19833325973
Authority: DE
Inventors: Tsudoi Suma Kobe Murakami; Yasuhide Nada Kobe Nagahama
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1982-10-21
Filing date: 1983-07-19
Publication date: 1984-04-26
Also published as: US4624621A

Description

Dipl Ing R Κιηΐκ· Dip! -Ing P C^rupc Dipl-Ing. B. PcIIiii.-imm Dipl -Ing. K Grams Dipl -Chüin Dr B Slruif

Bavariaring 4, Postfach 20: 8000 München 2 Tel.: 089-5396J-.3 Telex: 5-24 84i> ti[)-il Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Telecopier: O 89 ■ f,V377

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(Kobe Steel, Ltd.) _19>
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Kobe 651, Japan

^μ DE 3154

case FP-0724-02 Gelenkmechanismus für Industrieroboter u.a.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gelenkmechanismus für Industrieroboter und Manipulatoren, genauer gesagt einen flexiblen Gelenkmechanismus mit einer verbesserten Positionierungsgenauigkeit.
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Industrieroboter und Manipulatoren zur Durchführung von Schweißvorgängen werden oft in einem begrenzten Raum eingesetzt, so daß es wünschenswert ist, daß ein Gelenkabschnitt, der ein Werkzeug trägt, beliebige Positionen oder Stellungen einnehmen kann und ein sogenanntes flexibles Gelenk aufweist, das in freier Weise flexibel ist und ein optimales Verhältnis in bezug auf den Robo tereinsatz (den Längenanteil des Robotereinsatzes in bezug auf die Gesamtlänge einer Schweißstraße) sicherstellt. Herkömmlich ausgebildete, flexible Gelenkmechanismen weisen jedoch in den meisten Fällen ein relativ großes Spiel auf oder erzeugen Vibrationen, die auf ihre Konstruktion zurückzuführen sind, so daß diese Mechanismen für Arbeitsvorgänge ungeeignet sind, die ein hohes Maß an Genauigkeit erfordern, beispielsweise Schweißvorgänge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flexiblen Gelenkmechanismus mit hoher Positionierungsgenauigkeit zu schaffen, der für Industrieroboter und Manipulatoren ge-

eignet ist.

Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines flexiblen Gelenkmechanismus, der eine genaue Steuerung der Drehung des Gelenkmechanismus als Ganzes und der Schwenkwinkel der entsprechenden Gelenkteile ermöglicht.

Ferner soll ein flexibler Gelenkmechanismus zur Verfügung gestellt werden, der eine Einrichtung zur Übertragung von Rotationsenergie auf eine Werkzeugmontagewelle umfaßt, die am entfernten Ende des Gelenkmechanismus vorgesehen ist.

Schließlich bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Gelenkmechanismus, bei dem ein Gelenkteil auf der angetriebenen Seite in zwei sich senkrecht schneidenden Ebenen frei schwingen und beliebige Positionen oder Stellungen einnehmen kann.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch einen flexiblen Gelenkmechanismus für Industrieroboter, Manipulatoren u.a. gelöst, der in Reihe zwei oder mehrere Gelenkanordnungen aufweist, die jeweils mindestens ein erstes Gelenkteil, das auf einer Antriebsseite angeordnet isty und ein zweites Gelenkteil, das auf einer angetriebenen Seite angeordnet und relativ zum ersten Gelenkteil verschwenkbar ist, umfassen. Der Gelenkmechanismus ist dadurch gekennzeichnet, daß er die folgenden Bestandteile aufweist: eine senkrecht zu den Achsen des ersten und zweiten Gelenkteiles angeordnete Verbindungswelle, die das erste und zweite Gelenkteil relativ zueinander verschwenkbar miteinander verbindet, eine zwischen dem zweiten Gelenkteil und der Verbindungswelle angeordnete Reduktionseinheit, die den Schwenkwinkel des zweiten Gelenkteiles relativ zum ersten Gelenkteil beschränkt, und eine Rotationsübertragungsein-

richtung, die die Verbindungswellen von benachbarten Gelenkanordnungen drehbar miteinander verbindet.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei können sämtliche gezeigten und beschriebenen Teile von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Schweißroboters, der mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Gelenkmechanismus versehen ist;
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Figur 2 eine Seitenansicht eines Gelenkabschnittes des Roboters, auf dem eine flexible Abdeckung angebracht ist;

Figur 3 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäß ausgebildeten Gelenkmechanismus;

Figur 4 einen Schnitt entlang Linie A-A in Figur 3;

die Figuren

5 und 6 eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer modifizierten Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Gelenkmechanismus;

Figur 7 einen Schnitt entlang Linie B-B in Figur 6;

Figur 8 eine Ansicht ähnlich Figur 7, die jedoch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gelenkmechanismus zeigt; 35

die Figuren 9a und 9b Seitenansichten_r die einen Gelenkmechanismus

eines herkömmlich ausgebildeten Schweißroboters im Betrieb zeigen; 5

die Figuren

9c und 9d Seitenansichten, die den erfindungsgemäß ausgebildeten Gelenkmechanismus in einem entsprechenden Schweißbetrieb zeigen; 10

Figur 10 eine Vorderansicht eines harmonischen Reduktionsgetriebes, das bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Gelenkmechanismus Verwendung finden kann;

Figur 11 einen Horizontalschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung;

Figur 12 eine auseinandergezogene Ansicht eines Wellenabschnittes eines ersten Gelenkteiles in Richtung des Pfeiles A in Figur 11*

Die Figuren 13a und 13b eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgebildeten Gelenkmechanismus,

der über ein einziges Servosystem angetrieben werden kann;

Figur 14 einen Schnitt entlang Linie B-B in Figur 14a; 30

die Figuren 15a und 15b Seitenansichten eines Gelenkmechanismus, bei dem zwei oder mehr Gelenkanordnungen durch ein einziges Servosystem angetrieben werden können, wobei

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der Mechanismus in Figur 15a im nichtverschwenkten und in Figur 15b im verschwenkten Zustand dargestellt ist;

die Figuren

16a und 16b Draufsichten des Gelenkmechanismus der Figur 15 im nichtverschwenkten und verschwenkten Zustand;

Figur 17 einen Längsschnitt durch den verschwenkten Gelenkmechanismus der Figur 15b;

Figur 18 einen Längsschnitt durch den verschwenkten Gelenkmechanismus der Figur 16 b;

Figur 19 einen Schnitt entlang Linie A-A in Figur 15afund

Figur 20 eine Ansicht zur Erläuterung der Biege- bzw.

Schwenkbewegungen des Gelenkendes in Richtung des Pfeiles D in Figur 15 gesehen. 20

Figur 1 zeigt einen Schweißroboter in schmatischer Weise, der einen Hauptkörper 1 aufweist, der drehbar auf einer Basis 2 montiert ist, so«daß er sich in der angedeuteten Richtung Θ. drehen kann. Ein erster Arm 3 des Roboters ist am Hauptkörper 1 so montiert, daß er in der Richtung Θ» verschwenkt werden kann. Ein flexibler Gelenkmechanismus 5, der sich in der Richtung Θ. drehen kann, ist am vorderen Ende eines zweiten Armes 4 gelagert, der wiederum am vorderen Ende des ersten Armes 3 montiert ist, und zwar schwenkbar in der Richtung θ_. Der flexible Gelenkmechanismus 5 wird von vier Gelenkteilen 5a bis 5d gebildet, die über drei parallele Verbindungswellen 6a bis 6c schwenkbar miteinander verbunden sind. Der Gelenkmechanismus 5 kann als Ganzes um einen Winkel θ verschwenkt werden, der aus einer Kombination der Schwenkwinkel 9^₁/ öc? ^un(3 ®c? ^^er entsprechenden Gelenk-

teile resultiert. Ein Schweißbrenner 7 ist am vorderen Ende des Gelenkteiles 5d in dessen Axialrichtung montiert. Wenn man voraussetzt, daß der Schweißbrenner sich in der Position 7a befindet, wenn der Winkel O₁- O ist und daß die Schwenkwinkel ^i'^cn ^und ^53 alle 60° betragen, kann der Schweißbrenner um 180° in die radial gegenüberliegende Position 7b gedreht werden. Es ist daher durch Kombination der Drehvorgänge um die Winkel Θ, und θ^ möglich, den Schweißbrenner in irgendeiner Stellung zu halten, die bei einem Schweißvorgang vorkommt. Der Schweißbrenner 7 und dessen Steuereinheit 8 sind über ein Kabel 9 miteinander verbunden, das ein Stromkabel, ein Leitungskabel und einen Gasschlauch zu einem Bündel vereinigt. Die Gelenkteile sind vorzugsweise in eine flexible Abdeckung eingehüllt, um das Kabel 9 · und den Gelenkmechanismus 5 gegen Beschädigungen und Staub zu schützen (s. Figur 2).

Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausbildung des Gelenkmechanismus 5, der mit einer Vielzahl von flexiblen Gelenken versehen ist, wie vorstehend beschrieben,und dessen Konstruktion nachfolgend im einzelnen erläutert wird.

In Figur 3 ist die Gesamtkonstruktion des Gelenkmechanismus 5 dargestellt. Motoren M1 und M2, durch die der Gelenkmecha-5 nismus 5 seine Drehbewegung und Schwenk-bzw. Biegebewegung um den Winkel S₁- ausführen kann, sind im vorderen Endabschnitt 4a des zweiten Armes fest montiert. Innerhalb eines Gehäuses 10, das coaxial am vorderen Endabschnitt 4a befestigt ist, befindet sich ein harmonisches Reduktionsgetriebe 11 (ProductifHarmonie Drive Systems), das coaxial zum Gehäuse 10 angeordnet ist und am hinteren Ende seiner hohlen Antriebswelle 12 ein Zahnrad 13 aufweist/ das mit einem Zahnrad 14 an der Ausgangswelle des MOtors M1 kämmt.

Ein äußeres Zahnrad 15 auf der angetriebenen Seite des Reduk-

tionsgetriebes 11 ist mit einer Antriebswelle 17 gekoppelt,

die über ein Lager 16 coaxial und drehbar im Gehäuse 10 montiert ist. Die Antriebswelle 17 bildet einen Kernabschnitt des gesamten Gelenkmechanismus 5. Bei Drehung der Antriebswelle 17 durch das Reduktionsgetriebe 11 wird der Gelenkmechanismus mit einer Drehung in der Richtung θ₄ beaufschlagt.

Das erste Gelenkteil 5a, das einstückig mit der vorstehend erwähnten Antriebswelle 17 ausgebildet ist, ist über eine Verbindungswelle, die senkrecht zur Achse des Gelenkteiles angeordnet ist, relativ zum zweiten Gelenkteil 5b verschwenkbar. Das zweite Gelenkteil 5b ist mit dem vorne angeordneten dritten Gelenkteil 5c mit im wesentlichen c-förmigem Querschnitt über eine Verbindungswelle 19b gekoppelt, wie in Figur 4 gezeigt. Des weiteren ist das dritte Gelenkteil 5c über eine Verbindungswelle 19c mit dem vorne angeordneten vierten Gelenkteil 5d verbunden. Die Verbindungswellen 19a und 19b werden durch Kettenräder 20a und 20b, die an mittleren Abschnitten der entsprechenden Wellen montiert und über eine Kette 21a verbunden sind, synchron zueinander gedreht, während die Verbindungswellen 19b und 19c über Kettenräder 20c und 2Od synchron gedreht werden, die auf den entsprechenden Wellen angeordnet und über eine Kette 21b verbunden sind. Wenn daher die Verbindungswelle 19a gedreht wird, werden die Verbindungswellen 19b und 19c mit der gleichen Drehzahl in Drehungen versetzt, wenn die entsprechenden Kettenräder die gleiche Anzahl von Zähnen aufweisen. Die Verbindungswelle 19a wird mit der gleichen Drehzahl wie eine Zwischenwelle 23, die drehbar am ersten Gelenkteil 5a über ein Lager 22 montiert ist, mit Hilfe von Kettenrädern 24a und 2 4b mit gleicher Zahnezahl, welche an einem Ende der entsprechenden Wellen angeordnet und über eine Kette 25 verbunden sind, angetrieben. Die vorstehend erwähnten Kettenradantriebe sind vorzugsweise mit einem Spanner versehen, um die Kette straff zu halten. Am anderen

Ende der Zwischenwelle 2 3 ist ein Kegelrad 2 6 fest montiert, das rechtwinklig mit einem Kegelrad 27 am vorderen Ende einer Übertragungswelle 28 kämmt. Diese Übertragungswelle 2 8 ist mit Hilfe eines Lagers 29, das am ersten Gelenkteil 5a montiert istjund eines Lagers 30, das in der Antriebswelle 12 montiert ist, drehbar gelagert und weist an ihrem hinteren Ende ein Stirnrad 31 auf, das mit einem Zahnrad 32 kämmt, das an der Ausgangswelle des Schwenkmotors M2 fest montiert ist.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird die vom Motor M1 abgegebene Rotationsenergie über die Zahnräder 14 und 13, die Antreibswelle 12 und das Reduktionsgetriebe 11 übertragen, so daß die Antreibswelle 17 mit einer reduzierten Drehzahl in Drehungen versetzt wird. Dadurch wird der Gelenkmechanismus 5, der am vorderen Ende der Antriebswelle 17 mit seinem ersten bis 4. Gelenkteil vorgesehen ist, in der Richtung Θ. gedreht. Bei einer Drehung des Motors M2 werden die Zwischenwelle 23 und die Verbindungswellen 19a bis 19c über die Zahnräder 32 und 31, die Übertragungswelle 2 8 und die Kegelräder 27 und 26 mit gleicher Drehzahl in Drehungen versetzt.

Die Schwenkbewegungen zwischen den einzelnen Gelenkteilen werden über harmonische Reduktionsgetriebe erreicht, die zwischen einer Verbindungswelle und einem folgenden Gelenkteil angeordnet sind. Genauer gesagt ist die Verbindungswelle 19a über Lager 34 und 35 in gegabelten Armen 33a, 33b gelagert, die am vorderen Ende des ersten Gelenkteiles 5a vorgesehen sind, und in ihrem Zwischenabschnitt einstückig mit einer Antriebsscheibe 37a eines harmonischen Reduktionsgetriebes 36a versehen. Die Antriebsscheibe 37a kämmt mit einem äußeren stationären Zahnrad 40a und einem äußeren Folgerad 40a über flexible Keile 38a. Das äußere Folgerad 40a ist am zweiten Gelenkteil 5b befestigt, das über Lager

41 und 42 drehbar an der Verbindungswelle 19a montiert ist. Somit bilden das erste und zweite Gelenkto.il 5a und 5 b eine flexible Gelenkverbindung, die Schwenkbewegungen um die Verbindungswelle 19a mit dem ersten und zweiten Gelenkteil 5a und 5b jeweils auf der Antriebsseite und der angetriebenen Seite ermöglicht,, wobei die Rotationsenergie der Verbindungswelle 19a nach der über das Redaktionsgetriebe 36a erreichten Drehzahlreduzierung auf das zweite Gelenkteil 5b auf der angetriebenen Seite übertragen wird, so daß das zweite Gelenkteil 5b mit einer niedrigen Drehzahl um die Verbindungswelle 19a schwingen kann.

In bezug auf das dritte Gelenkteil 5c bildet das zweite Gelenkteil 5b,,ein Teil auf der Antriebsseite. Das dritte Ge- · J lenkteil 5c bildet auch in bezug auf das vierte Gelenkteil 5d ein Teil auf der Antriebsseite. Die Rotationsenergie wird auf die Elemente auf der angetriebenen Seite durch den gleichen Mechanismus übertragen, wie bei der vorstehend beschriebenen Kraftübertragung vom ersten auf das zweite Gelenkteil über ein Reduktionsgetriebe· Die Verbindungswelle 19b ist im zweiten Gelenkteil 5 b über Lager 43 und 44 gelagert und trägt das dritte Gelenkteil 5c über Lager 45 und 46, wobei einstückig mit der Verbindungswelle eine Antriebsscheibe 37 b eines harmonischen Reduktionsgetriebes 36b ausgebildet ist. Die Antriebsscheibe 37b kämmt mit einem äußeren stationären Zahnrad 39b, d'as am zweiten Gelenkteil 5b über flexible Keile befestigt ist/und mit einem äußeren Folgerad 40b, das am dritten Gelenkteil 5c befestigt ist.

Das dritte und vierte Gelenkteil 5c und 5d stehen in einer ähnlichen Beziehung zueinander. Die Rotation der Verbindungswelle 19c mit hoher Drehzahl wird auf das vierte Gelenkteil 5d übertragen, nachdem eine Drehzahlreduzierung durch ein harmonisches Reduktionsgetriebe 36c stattgefunden hat, das zwischen der Verbindungswelle 19c und dem vierten Gelenkteil

- 14 5d angeordnet ist.

Die Konstruktion des vorstehend erwähnten harmonischen Reduktionsgetriebs ist schematisch in Figur 10 dargestellt. Eine ringförmige flexible Keilverzahnu 38 aus einem stark flexiblen Material ist über eine Vielzahl von Mitläuferrollen R eng um den Außenumfang einer eliptischen Antriebsscheibe 37 gepaßt. Die flexible Keilverzahnung 38 ist um ihren Außenumfang herum mit einer Vielzahl von äußeren Zähnen 47 versehen, die an den Abschnitten mit größerem Durchmesser mit Innenzähnen 48 kämmen, welche in einer exakten Kreisform um den Innenumfang des äußeren stationären Zahnrades 39 auf der Außenseite der flexiblen Keilverzahnung angeordnet sind und sich in den Abschnitten mit kleinerem Durchmesser nicht mit den Innenzähnen 48 in Eingriff befinden. Die Außenzähne 47 sind in einer geringfügig kleineren Anzahl vorhanden als die Innenzähne 48, weisen jedoch die gleiche Teilung wie diese auf. Wenn . die Anzahl der Außenzähe 4 7 2 00 beträgt, ist das äußere Zahn-

. 20 rad 39 mit 202 Innenzähnen versehen. Die flexible Keilverzahnung 38 kämmt des weiteren mit einem angetriebenen Außenzannrad 40, das Seite an Seite mit dem Außenzahnrad 39 auf der Antriebsseite angeordnet ist, obwohl dies in Figur 10 nicht dargestellt ist. Die Anzahl der Innenzähne des Außen-5 rades 40 entspricht der Anzahl der Außenzähne der flexiblen Keilverzahnung 38. Genauer gesagt sind die Innenzähne des angetriebenen Außenrades sowie die Außenzähne der flexiblen Keilverzahnung 38 so ausgebildet/ daß die Außenzähne der flexiblen Keilverzahnung 38 eine geringfügig größere Teilung

-■30 besitzen als die Innenzähne des Außenrades 40. Wenn somit die Antriebsscheibe 37 gedreht wird, treten die Außenzähne der flexiblen Keilverzahnung 38 nacheinander mit den Innenzähnen 48 des stationären Außenrades 39 in Eingriff und die flexible Keilverzahnung wird in der umgekehrten Richtung bei jeder Umdrehung der Antriebsscheibe 37 in eine um zwei Zähne

versetzte Position bewegt. Da die flexible Keilverzahnunq und das angetriebene Außenrad 40 die gleiche Zähnezahl besitzen, wird das angetriebene Außenrad 4 0 synchron zur Keilverzahlung gedreht. Daher führt eine Umdrehung der Antriebsscheibe 37 zu einer Drehung des angetriebenen Außenrades 40 in der umgekehrten Richtung um zwei Zähne, wodurch eine Drehzahlreduzierung von 2/200 = 1/100 erzielt wird. Das Zahnred 3 9 wird stationär gehalten, während sich das Zahnrad 40 auf der angetriebenen Seite befindet, so daß das Zahnrad 40 mit einem Reduktionsverhältnis von 1/100 in umgekehrter Richtung wie die Antriebsscheibe 37 gedreht wird. Wenn jedoch das Zahnrad 40 stationär gehalten wird, ist das Zahnrad 39 beweglich und wird mit der reduzierten Drehzahl in der gleichen Richtung wie die Antriebsscheibe 37 gedreht. Folg- · lieh werden die Zwischenwelle 2 3 und die Verbindungswelle 19a bis 19c durch die Rotation des Motors M 2 mit hoher Drehzahl in Drehungen versetzt. Wenn beispielsweise die Verbindungswelle 19a und die zugehörigen Teile, das angetriebene Außenrad 40 und das zweite Gelenkteil 5b, das am Zahnrad 40 befestigt ist, 0,2 Umdrehungen pro 20 Umdrehungen der Verbindungswelle 19a ausführen, d.h. wenn das Reduktionsverhältnis 1/100 beträgt, wird das zweite Gelenkteil um 72° relativ zum ersten Gelenkteil 5a gedreht. Bei einer Drehung der Verbindungswellen 19b und 19c werden das dritte und 5 vierte Gelenkteil 5c und 5d relativ zu dem zweiten und dritten Gelenkteil in der gleichen Richtung um einen entsprechenden Winkel gedreht. In bezug auf die Drehbewegungen des zweiten Gelenkteiles und die nachfolgenden Drehbewegungen ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Anzahl der Umdrehungen der Verbindungswellen 19b und 19c von den Drehwinkeln der entsprechenden Gelenkteile beeinflußt wird, so daß es erforderlich ist, entsprechende Korrekturen vorzunehmen, wenn der endgültige Schwenkwinkel des vierten Gelenkteiles 5d berechnet wird. Auf diese Weise werden das zweite, dritte und vierte Gelenkteil angetrieben^daß sie gleichzeitig

um im wesentlichen den gleichen Winkelrotieren, wodurch der Schweißbrenner 7 am vorderen Ende des vierten Gelenkteiles 5d um den Winkel θ^ aus seiner in Figur 1 gezeigten Horizontallage 7a gedreht wird.
5

Das Kabel 9, das mit dem Schweißbrenner 7 in Verbindung steht, ist vorzugsweise so montiert, daß es sich wenn möglich entlang der Achse des Gelenkmechanismus erstreckt, um dadurch eine störende Beeinflussung des Betriebes zu vermeiden. Bei der gezeigten speziellen Ausfuhrungsform ist das Kabel 9, das das Stromkabel 50, das Leitungskabel 51 und den Gasschlauch 52 enthält, in einer axialen Nut oder Ausnehmung 4 9 angeordnet, die auf den Oberseiten der entsprechenden Gelenkteile vorgesehen ist, wie in Figur 4 gezeigt. Die Nut 49 ist mit einer Abdeckung 53 verschlossen, falls dies erforderlich sein sollte. Darüber hinaus wird vorgezogen, den Gelenkmechanismus 5 als Ganzes in eine flexible Abdeckung 53 einzuhüllen, wie in Figur 3 gezeigt, um dadurch die Geräuschentwicklung herabzusetzen und eine Ablagerung von Staub zu ver-0 hindern. Obwohl bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sämtliche Verbindungswellen an beiden Enden gelagert sind, kann auch eine freitragende Lagereinheit Verwendung finden. Wie dies in den Figuren 5 bis 7 dargestellt ist. Wie insbesondere in Figur 7 gezeigt ist, sind das erste 5 und zweite Gelenkteil 5a¹ und 5b¹ schwenkbar über Schrägrollenlager 54 miteinander verbunden, während das dritte und vierte Gelenkteil 5c¹ und 5d' schwenkbar über Schrägrollenlager 55 verbunden sind, wobei das zweite Gelenkteil 5b¹ auf einer Seite des ersten und dritten Gelenkteiles 5a¹ unf 5c¹ angeordnet ist. Die Verbindungswelle 19a¹ ist in Lagern 56 und 57 gelagert, die am ersten und zweiten Gelenkteil 5a¹ und 5b¹ montiert sind, und ist einstückig mit einer Antriebsscheibe 37a¹ eines harmonischen Reduktionsgetriebes 36a¹ ausgebildet. Die Antriebsscheibe 37a¹ kämmt über eine flexible Keilverzahlung 38a mit einem äußeren stationären

Zahnrad 39a¹, das am ersten Gelenkteil 5a¹ befestigt ist; und mit einem äußeren angetriebenen Zahnrad 40a¹, das am zweiten Gelnkteil 5b¹ befestigt ist. Die Rotation der Verbindungswelle 19a' mit hoher Drehzahl, die über eine Kette 25' und ein Kettenrad 2 4a¹ an einem Ende der Verbindungswelle 19a¹ übertragen wird, wird vom Rotationsgetriebe 36a' so reduziert, daß das äußere angetriebene Zahnrad 40a¹ und das zweite Gelenkteil 5b', das einstückig mit dem Zahnrad 40a' ausgebildet ist, mit niedriger Drehzahl gedreht werden. Die Verbindungswelle 19a¹ ist über eine Kette 21a' mit der Verbindungswelle 19b' verbunden, die das zweite und dritte Gelenkteil 5b¹ und 5c¹ miteinander verbindet. Die Verbindungswelle 19b¹ ist über eine Kette 21b¹ mit der vordersten Verbindungswelle verbunden, die nicht gezeigt ist. Die Art und Weise der Verbindung des zweiten und dritten Gelenkteiles 5b', 5c¹ und die Konstruktion des dazwischen befindlichen harmonischen Reduktionsgetriebes 36d' entsprechen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, so daß daher auf eine nähere Erläuterung verzichtet wird.

Die Reduktionsgetriebe, die bei der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können, sind nicht auf die vorstehend beschriebenen harmonischen Reduktionsgetriebe beschränkt.

Es kann sich dabei auch um Planetenreduktionsgetriebe mit Zahnrädern oder Rollen handeln. Figur 8 zeigt im Teilschnitt einen Gelenkmechanismus, bei dem Planetenreduktionsgetriebe 36a'¹ bis 36c¹' Verwendung finden. Wie man aus Figur 8 entnehmen kann, ist das erste Gelenkteil 5a'¹ über ein Lager 58 schwenkbar mit dem zweiten Golonkteil 5b'¹ verbunden, während das zweite Gelenkteil 5b'' in ähnlicher Weise über ein Lager 59 mit dem dritten Gelenkteil 5c'' schwenkbar verbunden ist. Eine Verbindungswelle 19a'¹, die coaxial zum Lager 58 montiert ist, ist am Teil des ersten Gelenkteiles 5a¹¹ durch ein Lager 60 und am Teil des zweiten

Gelenkteiles 5b¹¹ durch ein Lager 61 drehbar gelagert. Ein Zahnrad 62, das im Mittelabschnitt der Verbindungswelle 19a¹¹ ausgebildet ist, kämmt mit einem Planetenrad 64, das drehbar auf einem Stift 63 gelagert ist, der in das zweite Gelenkteil 5b'¹ eingeschraubt ist. Das Planetenrad 64 kämmt mit der Innenseite eines äußeren Zahnrades 65, das am ersten Gelenkteil 5a¹' befestigt ist. Wenn daher die Verbindungswelle 19'' durch die Kette 25'' gedreht wird und sich das erste Gelenkteil 5a¹¹ in einem fixierten Zustand befindet, wird das Planetenrad 64, das mit dem Zahnrad 62 und dem äußeren Zahnrad 64 kämmt, um seine Achse und zur gleichen Zeit um die Verbindungswelle 19a¹ mit einer reduzierten Drehzahl gedreht, so daß auf diese Weise das zweite Gelenkteil 5b' mit niedriger Drehzahl um die Verbindungswelle 19a¹' gedreht wird. Die gleichen Prinzipien treffen auf die Verbindungswelle 19b¹' zu, die synchron zur Verbindungswelle 19a'¹ über eine Kette 21a¹' gedreht wird_;und,auf das Planetenrad 66, das mit der Verbindungswelle 19b'¹ kämmt. Mit anderen Worten, durch die Drehung der Verbindungswelle 19b¹¹ wird eine Drehung des dritten Gelenkteiles 5c'¹ mit niedriger Drehzahl relativ zum zweiten Gelenkteil 5b'¹ verursacht. Auf diese Weise wird die Drehung der Verbindungswellen, die über Ketten miteinander verbunden sind, auf ein Gelenkteil einer nachfolgenden Stufe mit reduzierter Drehzahl übertragen, so daß jedes Gelenkteil im wesentlichen um den gleichen Winkel verschwenkt wird.

Die Ketten, die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zur Rotationsübertragung auf die entsprechenden Ver- bindungswellen Verwendung finden, können durch andere Übertragungseinrichtungen ersetzt werden, beispielsweise durch Bänder, Riemen bzw. Drähte. Obwohl die zum Antrieb dieser Übertragungseinrichtungen eingesetzten dargestellten Kettenräder die gleiche Zähnezahl aufweisen, ist es möglich, die Zähnezahl oder das Reduktionsverhältnis des Reduktionsge-

triebes zu ändern, das auf einer benachbarten Vcrbindunqswelle montiert ist und dadurch den Schwenkwinkel des Gelenkteiles auf der angetriebenen Seite gegenüber dem des Gelenkteiles auf der Antriebsseite zu verändern. 5

In Figur 11 ist eine weitere Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gelenkmechanismus dargestellt, der eine zweite Rotationsübertragungseinrichtung enthält, die die Drehung einer Werkzeugmontagewelle am entfernten Ende des Gelenkmechanismus bewirkt.

In Figur 11 ist mit 106 eine Welle bezeichnet, die mit einem Arm verbunden ist, der vom Motor M₁ gedreht wird₍und die über ein Lager 107, das am vorderen Ende der Welle montiert ist, drehbar an einem zweiten Arm 110 gelagert ist. Ein Zahnrad 108 ist am vorderen Ende der Welle 106 montiert. Mit 109 ist eine Welle bezeichnet, die mit einem Schwenkantriebsmotor M2 gekoppelt ist, um auf eine Werkzeugmontagewelle 105 eine Drehbewegung zu übertragen.

Die Welle 109 ist drehbar in einem Lager 110a gelagert, das am vorderen Ende des zweiten Armes 110 angeordnet ist, und ist mit einem Zahnrad 111 an ihrem vorderen Ende versehen. Das Zahnrad 108 kämmt mit einem Zahnrad 114, das an einem Ende einer Hohlwelle 113 fest montiert ist, welche durch ein Lager 112 am zweiten Arm 110 gelagert ist. Fest montiert an der Hohlwelle 113 ist eine Antriebsscheibe 115a eines harmonischen Reduktionsgetriebes 115, dessen stationäres äußeres Zahnrad 115b an der Seite des zweiten Armes befestigt ist und dessen angetriebenes äußeres Znhnrad 115 c an einer Rotationsübertragungsscheibe 117 befestigt ist, die über ein Lager 116 drehbar an der Hohlwelle 113 gelagert ist. Die Rotationsübertragungsscheibe 117 ist an einem ersten Gelenkteil 101 befestigt, das über ein Lager 118 drehbar am zweiten Arm 110 gelagert ist.

Das an der Welle 109 montierte Zahnrad 111 kämmt mit einem Zahnrad 122, das fest in einem Endabschnitt einer Hohlwelle 121 montiert ist, welche coaxial in der Hohlwelle 113 angeordnet und über Lager 119, 120 drehbar am zweiten Arm gelagert ist. Ein Kegelrad 12 3, das am anderen Ende der Hohlwelle 121 montiert ist, kämmt senkrecht mit einem Kegelrad 126, das am inneren Ende einer ohlen Übertragungswelle 125 fest montiert ist, welche über ein Lager 124 drehbar am ersten Gelenkteil 101 gelagert ist.

Ein wischenrad 12 9 ist an seinen gegenüberliegenden Seiten durch Lager 128 drehbar gelagert, welche in einem Mittelabschnitt eines zweiten Gelenkteiles 102 montiert sind, das über ein Lager 127 schwenkbar an der Hohlwelle 125 angeordnet ist. Dieses Zwischenrad 129 kämmt mit einem Rad 130, das am äußeren Ende der Übertragungswelle 125 fest montiert ist, so daß ein Teil einer zweiten Rotationsübertragungseinrichtung gebildet wird. Eine hohle Übertragungswelle 132, die über ein Lager 131 drehbar am zweiten Gelenkteil 102 parallel zur Übertragungswelle 125 montiert ist, weist ein an ihrem äußeren Ende ein fest montiertes Zahnrad 133 auf, das einen Teil der zweiten Rotationsübertragungseinrichtung bildet. Das Zahnrad 133 kämmt mit dem vorstehend erwähnten Zwischenrad 129.

Beide Übertragungswellen 125 und 132 sind senkrecht zu den Achsen der entsprechenden Gelenkteile angeordnet.

Ein drittes Gelenkteil 103, das über 'die Übertragungswelle 132 durch ein Lager 134 drehbar an einem Ende gelagert ist, ist einstückig an seinem vorderen Ende mit einer vorderen Verlängerung 135 versehen. Ein am hinteren Ende einer Welle 137 fest montiertes Kgelrad 138, das durch ein Lager drehbar an der vorderen Verlängerung gelagert ist, kämmt senkrecht mit einem Kegelrad 139, das am inneren Ende der Übertragungswelle 132 fest mon-

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montiert ist. Die vordere Verlängerung 135 des dritten Gelenkteiles 103 nimmt ein harmonisches Roduktionsqctriebe 140 auf,und die Welle 137 ist mit der Antriebsscheibe 140a des Reduktionsgetriebes 140 einstückig ausgebildet. Eine flexible Keilverzahnung 14Od, die zwischen einem stationären äußeren Zahnrad 140b, das fest an der vorderen Verlängerung 135 montiert ist und der Antriebsscheibe 140a angeordnet ist, ist mit ihrem vorderen Ende mit einem Werkzeugmontageschaft 105 versehen, der über Lager 141 an der vorderen Verlängerung 135 gelagert ist.

Eine Welle 142, die mit einem nicht gezeigten Gelenkbetäti-, gungsmotor M3 verbunden ist, ist mit ihrem vorderen Endabschnitt in einem Lager 143 drehbar gelagert, das um den Innenumfang des Kegelrades 123 herum angeordnet ist, welches fest an der Hohlwelle 121 montiert ist. Die Welle ist ferner mit einem Kegelrad 144 versehen, das an ihrem vorderen Ende befestigt ist. Das Kegelrad 144 kämmt senkrecht mit einem Kegelrad 148, das in einem mittleren Abschnitt einer Verbindungswelle 147 montiert ist, deren eines Ende über die Übertragungswelle 125 durch ein Lager 145 und deren anderes Ende in einem Lager 146 am ersten Gelenkteil 101 drehbar gelagert ist. Wie in Figur 11 gezeigt ist, ist die Verbindungswelle 147 coaxial in der hohlen Übertragungswelle 125 senkrecht zur Achse des ersten Gelenkteiles 101 angeordnet. In dem mittleren Abschnitt der Verbindungswelle 147 ist eine Antriebsscheibe 149a eines harmonischen Reduktionsgetriebes 149 fest montiert, dessen äußeres stationäres Zahnrad 14 9b fest am ersten Gelenkteil 101 und dessen äußeres angetriebenes Zahnrad 149c am zweiten Gelenkteil 102 angeordnet ist. Die Seitenabschnitte des zweiten Gelenkteiles 102 erstrecken sich auf gegenüberliegenden Seiten des ersten und dritten Gelenkteiles 101 und 103 und sind über eine Rippe 50 miteinander verbunden.

Die Verbindungswelle 147 ist an einem Ende (das von der Übertragungswelle 125 abgelegene Ende) mit einem Zahnrad 151 versehen, das einen Teil der ersten Übertragungseinrichtung bildet. Das Zahnrad 151 kämmt mit einem Zwischenrad 153, das über Lager 152 mit gegenüberliegenden Enden am zweiten Gelenkteil 102 drehbar gelagert ist. Das Zwischenrad 153 kämmt mit einem Zahnrad 157, das am vorderen Ende einer Verbindungswelle 156 angeordnet ist, deren eines Ende über ein Lager 154 drehbar am zweiten Gelenkteil 102 gelagert ist und deren anderes Ende über die Übertragungswelle 132 durch ein Lager 155 drehbar gelagert ist. Die Verbindungswelle 156 ist einstückig mit einer Antriebsscheibe 158 a eines harmonischen Reduktionsgetriebes 158 ausgebildet, das zwischen dem zweiten und dritten Gelenkteil angeordnet ist. Bei diesem Reduktionsgetriebe 158 ist dessen stationäres äußeres Zahnrad 15 8b am zweiten Gelenkteil 102 und dessen angetriebenes äußeres Zahnrad 158c am dritten Gelenkteil 103 befestigt.

Der in Figur 11 dargestellte Gelenkmechanismus wird in der nachfolgenden Weise mit den Dreh- und Schwenkbewegungen beaufschlagt. Wenn der Motor M1 rotiert, wird dessen Rotationsenergie über die Zahnräder 108 und 114 auf die Hohlwelle 113 übertragen, so daß das äußere angetriebene Zahnrad 115c des harmonischen Reduktionsgetriebes 115 in Abhängigkeit von der Anzahl der Umdrehungen der Hohlwelle 113 mit einer reduzierten Drehzahl in Drehungen versetzt wird. Folglich wird das erste Gelenkteil 101, das über die Rotationsübertragungsscheibe 117 am äußeren angetriebenen Zahnrad 115c befestigt ist, mit reduzierter Drehzahl um die Welle 142 gedreht, so daß der gesamte Gelenkmechanismus 104 einschließlich des ersten und der nachfolgenden Gelenkteile um die Welle 142 gedreht wird.

Wenn die Welle 109 andererseits vom Motor M2 gedreht wird, wird ihre Drehbewegung über die Zahnräder 111 und 122 auf

die Hohlwelle 121 und danach auf das Kegelrad 12 6 übertragen, das mit dem Kegelrad 123 auf der Hohlwelle 121 kämmt, so daß die Übertragungswelle 125, die einstückig mit dem Kegelrad 126 ausgebildet ist, mit einer hohen Drehzahl gedreht wird. Die Drehbewegung der Übertragungswelle 125 wird des weiteren über die Zahnräder 130, 12 9 und 133 und danach über die Kgelräder139 und 138 auf die andere Übertragungswelle 132 übertragen, um die Welle 137 in Drehungen zu versetzen. Die Drehbewegung der Welle 137 wird auf das harmonische Reduktionsgetriebe 140 übertragen, so daß der Werkzeugmontageschaft 105, der an der flexiblen Keilverzahnung 140b des harmonischen Reduktionsgetriebes 140 befestigt ist, mit einer reduzierten Drehzahl gedreht wird.

Wenn durch Einschalten des nicht gezeigten Motors M 3 die Welle 142 gedreht wird, wird deren Drehbewegung über die Zahnräder 144 und 148 auf die Verbindungswelle 147 und gleichzeitig über die Zahnräder 111, 153 und 157, wie vorstehend erwähnt, auf die Verbindungswelle 156 übertragen. Durch die Rotation der Verbindungswelle 147 wird die Antriebsscheibe 149a des harmonischen Reduktionsgetriebs 149 gedreht und nach einer entsprechenden Drehzahlreduzierung wird diese Drehbewegung auf das Dritte Gelenkteil 103 übertragen, um das zweite und dritte Gelenkteil 102 und 103 in der gleichen Richtung um die Winkel Θ.. und θ.~ zu verschwenken. Folglich werden das dritte Gelenkteil und der darin gelagerte Werkzeugmontageschaft 105 relativ zum zweiten Arm 110 des Roboters um den Winkel θ verschwenkt.

Auf diese Weise wird der gesamte Gelenkmechanismus 104 durch die Rotation der Welle 106 um die Achse des zweiten Armes 110 gedreht, während gleichzeitig der Werkzeugmontageschaft 105 durch die Rotation der Welle 109 um die Achse des dritten Gelenkteiles 103 gedreht wird, und zwar ungeachtet der Bewegung des Gelenkmechanismus 4. Das zweite

und dritte Gelenkteil werden in entsprechender Weise durch die Drehung der Welle 142 in der gleichen Richtung relativ zum ersten Gelenkteil verschwenkt. Da bei diesen Antriebsverbindungen sämtliche angetriebenen Teile mit den entsprechenden Reduktiongsgetrieben unmittelbar gekoppelt sind, können aufstromseitig der Reduktionsgetriebe keine nachteiligen Vibrationseffekte bzw. Rotationsunregelmäßigkeiten auftreten, so daß auf diese Weise eine merklich verbesserte Positionierungsgenauigkeit erzielt wird.

Natürlich ist es möglich, anstelle der beschriebenen harmonischen Reduktionsgetriebe Planetenrad- oder Planetenrollenreduktionsgetriebe einzusetzen. Die Zahnräder 130, 133, 151, 153 und 157, die als erste und zweite Rotationsübertragungseinrichtung dienen, können durch Ketten oder Bänder oder andere Rotationübertragungseinrichtungen ersetzt werden, falls gewünscht. Darüber hinaus können die Kegelräder 144 und 147 sowie die Kegelräder 139 und 138, die als miteinander kämmende Übertragungseinrichtungen verwendet werden, durch ein sphärisches Gelenk oder eine Kombination aus einer Schnecke und einem Schneckenrad versetzt werden.

Bei der in Figur 11 gezeigten Ausfuhrungsform ist das erste Gelenkteil 101 über den ersten Arm 112' und das Lager 118', das mittels einer Mutter116" fixiert ist, welche auf das erste Gelenkteil 101 geschraubt ist, drehbar gelagert. Um in dieser Weise eine Mutter auf eine Welle bzw. einen Schaft zu schrauben, ist es üblich, ein Gewinde in die Welle bzw. den Schaft selbst zu schneiden, um dadurch die Zahl der Bearbeitungsvorgänge nicht zu erhöhen. Bei der in Figur 11 gezeigten Konstruktion eines ersten Gelenkteiles wird vorzugsweise eine Ringnut 101 am Umfang des Wellenabschnittes 101a des ersten Gelenkteiles 101 vorgesehen, wie in Figur 12 gezeigt, wonach die Seg-

mente iO1c eines hohlen Spaltbolzens in die Ringnut 101b eingesetzt und daran eine dünnwandige Mutter 116* zum Fixieren der Lager 118' befestigt wird. Eine Doppelmutter 117" dient dazu, ein Lösen der Mutter 116' zu verhindern. Bei dieser Konstruktion ist es ausreichend, die Nut 101b beim Bearbeitungsvorgang des Wellenabschnittes des ersten Gelenkteiles einzuschneiden, und es ist möglich, den hohlen Bolzen 101c in Abhängigkeit vom Durchmesser des Wellenabschnittes in großem Maßstab zu produzieren, um dessen Produktionskosten zu senken.

In den Figuren 13 und 14 ist ein Gelenkmechanismus dargestellt, der an der Verbindungsstelle zwischen einem Gelenkmechanismus und einem Trägerarm oder an den Gelenkstellen von anderen Roboterteilen Verwendung finden kann. Bei

diesem Mechanismus kann ein Gelenkteil auf einer angetrie- ' benen Seite in zwei senkrecht aufeinanders tehenden Ebenen frei schwingen und somit beliebige Positionen einnehmen, ohne daß der Gelenkmechanismus selbst gedreht werden muß.

Wie die Figuren 14a und 14b zeigen, ist der Gelenkmechanismus 220 am vorderen Ende eines Roboterarmes 221 mit gegabelten Abschnitten 221a und 221b, die als Gelenkteile auf der Antriebsseite wirken, montiert. Ein Gelenkteil 223 ist zwischen den gegabelten Abschnitten 221a und 221b drehbar um eine Querachse 222 gelagert. Mit 225 ist eine Gelenkteilseite bezeichnet, die rittlings auf dem Gelenkteil 223 montiert ist und um eine Achse 224 senkrecht zur Querachse 222 schwingen kann. Durch Rotationen um die Achsen 222 und 224 kann das Gelenkteil 225 auf der angetriebenen Seite um den Schnittpunkt 22 6 der Achsen 222 und 22 4 verschwenkt werden, so daß diese in beliebige Richtungen bewegt werden können. In diesem Fall stellt das Gelenkteil 22 5 auf der angetriebenen Seite das vorderste Teil des Gelenkes dar, das im Falle eines Schweißroboters

mit einem Werkzeugmontageschaft 226' zur Halterung eines Schweißbrenners versehen ist. Die Schwenkbewegung des angetriebenen Gelenkteiles 225 um die Achse 22 4 und in der Richtung ut 1 von Figur 13a wird bewirkt, indem die Rotationsenergie eines Motors M1, der am Arm 221 montiert ist, über ein Kettenrad 227a, eine Kette 22 8 und ein Kettenrad 227a übertragen wird. Demgegenüber wird die Schwenkbewegung des angetriebenen Gelenkteiles 225 um die Achse 224 und in Richtung o< 2 von Figur 13a durch Übertragung der Rotationsenergie eines Motors M 2 erreicht, der am Arm 221 auf der vom Motor M 1 abgelegenen Seite montiert ist, wobei die Bewegung über ein Kettenrad 227b, eine Kette 229 und ein Kettenrad 227b übertragen wird.

Figur 14 zeigt einen Rotationsmechanismus, der die vorstehend erwähnten Schwenkbewegungen auf das Gelenkteil 225 auf der angetriebenen Seite überträgt. In Figur 14 tragen die gegabelten Abschnitte 221a und 221b, die am vorderen Ende des Armes 221 ausgebildet sind und als Gelenkteile auf der Antriebsseite wirken, zwischen sich das vorstehend erwähnte Gelenkteil 223 über Lager 230 und 231, so daß dieses schwenkbar um die Querachse 222 gelagert ist. Über den gegabelten Abschnitt 221a und Lager 2 32 und 233, die am Gelenkteil 223 montiert sind, ist eine erste Antriebs-5 welle 234 drehbar gelagert, und zwar senkrecht zur Achse des Armes 221 (s. Figur 13a). Das Kettenrad 227a¹ ist'am vorderen Ende der ersten Antriebswelle 2 34 fest montiert. Eine zweite Antriebswelle 236 ist über ein Lager 35 coaxial zur ersten Antriebswelle 234 fest montiert. Eine zweite Antriebswelle 236 ist über ein Lager 35 coaxial zur ersten Antriebswelle 234 am gegabelten Abschnitt 221b drehbar gelagert. Das Kettenrad 227b ist am vorderen Ende der zweiten Antriebswelle 2 36 fest montiert. Daher ist das Gelenkteil 22 3 durch die erste und zweite Antriebswelle 2 34 und 2 36 und coaxial zu diesen drehbar an den ge-

gabelten Abschnittem 221a und 221 gelagert und kann um diese Wellen Schwenkbewegungen ausführen.

Ein Kegelrad 2 37, das am entfernten Ende der zweiten Antriebswelle 2 36 angeordnet ist und als Teil einer zweiten Rotationsübertragungseinrichtung wirkt, kämmt senkrecht mit einem Kegelrad 2 38, das am gegenüberliegenden Ende einer zweiten Übertragungswelle 239 montiert ist. Die zweite Übertragungswelle 2 39 ist durch ein Lager 240, das am Gelenkteil 223 vorgesehen ist, und ein Lager 241, das am angetriebenen Gelenkteil 225 vorgesehen ist, drehbar gelagert, und zwar senkrecht zur ersten und zweiten Antriebswelle 234 und 2 36. Zwischen der ersten Antriebswelle 234 und dem Gelenkteil 223 befindet sich ein erstes Reduktionsgetriebe 2 42, das beispielsweise aus einem harmonischen Reduktionsgetriebe besteht, dessen j Antriebsscheibe 242a an der ersten Antriebswelle 234 befestigt und über eine flexible Keilverzahnung 242b mit einem äußeren Zahnrad 242 b, das am Gelenkteil 222 befestigt ist, gekoppelt ist, um die Drehbewegung der ersten Antriebswelle 234 nach einer Drehzahlreduzierung durch das erste Reduktionsgetriebe 2 42 auf das Gelenkteil 223 zu übertragen.

in ähnlicher Weise wie das erste Reduktionsgetriebe 242 ist zwischen der zweiten Übertragungswelle 2 39 und dem angetriebenen Gelenkteil 225 ein zweites Reduktionsgetriebe 243 montiert. Die Antriebsscheibe 243a des zweiten Reduktionsgetriebes 243 ist an der zweiten Übertragungswelle 2 39 befestigt und über eine flexible Keilverzahnung 243b mit einem stationären äußeren Zahnrad 2 43c verbunden, das am Gelenkteil 223 befestigt ist, sowie mit einem angetriebenen äußeren Zahnrad 243d, das am angetriebenen Gelenkteil 22 5 befestigt ist. Wenn daher die zweite Übertragungswelle 239 gedreht wird, wird ihre Drehbewegung nach einer Drehzahlreduzierung durch

das Reduktionsgetriebe 243 auf das angetriebene Gelenkteil 225 übertragen.

Wie in den Figuren 13a, 13b/ 14 gezeigt ist, wird bei einer Drehung des Kettenrades 227a durch einen Antrieb der Kette 228 über den Motor M1 auch, die erste Antriebswelle 234 in eine Drehung mithoher Dreh2ahlversetzt, und diese Drehbewegung wird nach einer Drehzahlreduzierung durch das erste Reduktionsgetriebe 2 42 auf das Gelenkteil 22 3 übertragen, wodurch das Gelenkteil 223 und das angetriebene Gelenkteil 225, das über das Lager 241 am Gelenkteil 22 3 montiert ist, um die Achse 222 vershwenkt werden.

Wenn die Kette 22 9 vom Motor M 2 angetrieben wird und das Kettenrad 22 7b¹ mit hoher Drehzahl rotieren läßt, wird die zweite Antriebswelle 2 36 einstückig mit dem Kettenrad 227b gedreht,und diese Drehbewegung wird über die Kegelräder 2 37 und 2 38, die die zweite Rotationsübertragungseinrichtung bilden, auf die zweite Übertragungswelle 2 39 übertragen.

Die Drehbewegung der zweiten Übertragungswelle 239 wird nach einer Drehzahlreduzierung durch das zweite Reduktionsgetriebe 243 auf das Gelenkteil 225 auf der angetriebenen Seite übertragen,wodurch das angetriebene Gelenkteil 225 um die Achse 22 4 verschwenkt wird.

Wenn daher Vorwärts- und Rückwärtsdrehungen der Motoren M1 und M2 in der Form von trigonometrischen Funktionen und gleichzeitig mit synchronisierten Frequenzen wiederholt werden, rückt das angetriebene Gelenkteil 225 um den Schwenkpunkt 226 vor (siehe Figuren 13a und 13b). Durch Steuerung des Rotationswinkels der Motoren M1 und M2 können daher das angetriebene Gelenkteil 225 und der Werkzeugmontageschaft 22 6' in beliebige Stellungen gebracht werden.

Die Figuren 15 und 16 zeigen eine Ausführungsform, bei der

der vorstehend beschriebene Gelenkmechanismus in Paarform Verwendung findet, wobei ein Verbindungselement 244 zwischen beiden Mechanismen vorgesehen ist. Mehrere Gelenkmechanismen können gleichzeitig durch die Motoren M 1 und M2 verschwenkt werden, indem zusätzlich ein Rotationsübertragungsmechanismus vorgesehen wird. Bei der in den Figuren 15 und 16 beschriebenen Ausführungsform findet ein vorderer Gelenkmechanismus 220a und ein hinterer Gelenkmechanismus 22 0 b Verwendung, die über ein Verbindungselement 24 4 miteinander verbunden sind. Der vordere Gelenkmechanismus 220a entspricht in seiner Konstruktion dem Mechanismus der Figur 14, so daß dessen Teile die gleichen Bezugsziffern tragen. Der hintere Gelenkmechanismus 220b besteht aus dem Gelenkmechanismus 220 der Figur 14 und einem in Figur 19 dargestellten Rotationsübertragungsmechanismus, der die Rotationsenergie auf den vorderen Gelenkmechanismus 220a überträgt. Das Verbindungselement 244 entspricht den gegabelten Abschnitten 221a und 221b in bezug auf den vorderen Gelenkmechanismus 220a und dem angetriebenen Gelenkteil 225 der Figur 13 in bezug auf den hinteren Gelenkmechanismus 220b.

In dem in Figur 19 dargestellten Schnitt durch den hinteren Gelenkmechanismus 220b sind mit 321a und 321b die in den Figuren 13 und 14 gezeigten gegabelten Abschnitte am vorderen Ende des Roboterarmes dargestellt, die zwischen sich über Lager 2 45 und 2 46 ein Gelenkteil 32 3 lagern, das um eine Achse 324 gedreht werden kann. Über ein zweites Reduktionsgetriebs 343, das aus einem harmonischen Reduktionsgetriebe o.a. besteht, ist das Gelenkteil 323 mit einer zweiten Übertragungswelle 339 verbunden, die um eine Achse 322 drehbar ist. Die zweite Übertragungswelle 339 ist über Kegelräder 337 und 338, die die zweite Rotationsübertragungseinrichtung bilden, senkrecht mit einer zweiten Antriebswelle 336 gekoppelt, die um die Achse 32 4 drehbar am gegabelten Abschnitt 321a gelagert ist.

Das Verbindungselement 244, das über das Lager 341 zur Ausführung einer Schwenkbewegung um die Achse 322 schwenkbar am Gelenkteil 32 3 gelagert ist, ist über das zweite Reduktionsgetriebe 343 mit der zweiten Antriebswelle 336 verbunden. Die erste Antriebswelle 334, die über das Lager drehbar um die Achse 32 4 am anderen gegabelten Abschnitt 321b gelagert ist, steht mit dem vorstehend erwähnten Gelenkteil 32 3 über das erste Reduktionsgetriebe 342 in Verbindung, das am gegabelten Abschnitt 321 b montiert ist.

Wie aus der voragehenden Beschreibung hervorgeht, besitzt der Gelenkmechanismus 22 0b im wesentlichen die gleiche Konstruktion wie der Gelenkmechanismus 220 (220a) der Figur 14, unterscheidet sich jedoch von diesem dadurch, daß das Kegelrad 2 47 der ersten Rotationsübertragungseinrichtung fest am Ende der ersten Antriebswelle 334 montiert ist und daß die erste Übertragungswelle 349 mit dem Kegelrad 248 an ihrem Ende, das senkrecht mit dem Kegelrad 24 7 kämmt, über das Lager 250 an dem Verbindungselement 244 auf der vom Verbindungselement, das die Übertragungswelle 336 dreht, abgelegenen Seite drehbar um die Vertikalachse 322 gelagert ist. Die Konstruktion einer Gelenkeinheit, bei der mehrere der vorstehend beschriebenen Gelenkmechanismen Verwendung finden, wird nunmehr in Verbindung mit den Figuren 15 und 16 im einzelnen erläutert. Hierbei ist der hintere Gelenkmechanismus 220b der Figur 10 am vorderen Ende des Armes 321 mit den Antriebsmotoren M 1 und M 2 montiert,und der vordere Gelenkmechanismus 220a der Figur 14 ist über die Verbindungselemente 244 mit dem hinteren Gelenkmechanismus 22 0b verbunden. Die zweite Übertragungswelle 336 und die erste Übertragungswelle 249 des hinteren Gelenkmechanismus 220 b sind über die Verbindungselemente 2 44 in Parallellage mit der ersten und zweiten Antriebswelle 234 und 236 des vorderen Gelenkmechanismus verbunden.

Das Kettenrad 251, das am Ende der zweiten Übertragungs-

welle des hinteren Gelenkmechanismus 220b montiert ist, ist über die Kette 2 52 mit dem Kettenrad 22 7a¹ verbunden, das an der ersten Antriebswelle 2 34 des vorderen Gelenkmechanismus 22 0a montiert ist, während das am Ende der ersten Übertragungswelle 249 des hinteren Gelenkmechanismus 220b montierte Kettenrad 253 über die Kette 254 mit dem Kettenrad 227b verbunden ist, das an der zweiten Antriebswelle 236 des vorderen Gelenkmechanismus 22 0a montiert ist.
10

Der am Arm 321 montierte Motor M 1 ist mit der ersten Antriebswelle 334 des hinteren Gelenkmechanismus 320b über die Kette 22 8 verbunden, die um das Kettenrad 255 an der ersten Antriebswelle 334 und das Kettenrad 227a an der Ausgangswelle des Motors M1 herumgeführt ist. Der Motor M2_; der am Arm 321 montiert ist, ist mit der zweiten Antriebswelle 336 des hinteren Gelenkmechanismus 220b über die Kette 22 9 verbunden, die um das Kettenrad 256, das am Ende der zweiten Antriebswelle 336 montiert ist, und das Kettenrad 227b, das an der Ausgangswelle des Motors M 2 montiert ist, herumgeführt ist.

Wenn die Motoren M1 oder M2 eingeschaltet werden, funktioniert der Gelentenechanismus in der folgenden Weise. Wenn zuerst die Kette 22 9 durch den Motor M 2 angetrieben wird, um die zweite Antriebswelle 336 mit hoher Drehzahl umlaufen zu lassen, wird deren Drehbewegung über die in Figur 19 dargestellten Kegelräder 337 und 338 der zweiten Rotationsübertragungseinrichtung auf die zweite Übertragungswelle 336 übertragen, wodurch diese mit hoher Drehzahl umläuft. Zur gleichen Zeit wird die Drehbewegung über das Kettenrad 251, die Kette 252 und das Kettenrad 227' auf die erste Antriebswelle 334 des vorderen Gelenkmechanismus

220a übertragen.
35

Auf diese Weise wird die Umlaufbewegung der zweiten Übertragungswelle 336 des hinteren Gelenkmechanismus 220b mit hoher Drehzahl über das zweite Reduktionsgetriebe 334 auf das Verbindungselement 244 übertragen, das mit dem zweiten Reduktionsgetriebe 334 verbunden ist, wodurch das Verbindungselement 244 um die Achse 322 in der in Figur 16b gezeigten Richtung oC 11 verschwenkt wird. Die Drehbewegung der ersten Antriebswelle 234 des vorderen Gelenkmechanismus 220a der Figur 14 wird nach einer Drehzahlreduzierung durch das erste Reduktionsgetriebe 2 42 auf das Gelenkteil 223 übertragen, wobei dieses und das angetriebene Gelenkteil 225 um die Achse 222 in der in Figur 16b Gezeigten Richtung ⁰^-12 verschwenkt werden. Folglich wird das angetriebene Gelenkteil 225 durch die Rotation des Motors M 2 über den Winkel o<. 1 verschwenkt, der sich aus den beiden Schwenkwinkeln oC 11 und o(12 zusammensetzt. Da diese Schwenkbewegung aus den beiden Schwenkbewegungen (X 11 und

(X 12 des vorderen und hinteren Gelenkmechanismus 220b und 220a besteht, kann sie sehr glatt ablaufen.

Nach Betätigung des Motors M1 wird dessen Drehbewegung durch die Kegelräder 247 und 248 der ersten Rotationsübertragungseinrichtung auf die erste Übertragungswelle 2 49 und dann über das Kettenrad 25 3, die Kette 254 und das Kettenrad 227b¹ auf die zweite Antriebswelle 236 des vorderen Gelenkmechanismus 220a der Figur 14 übertragen. Danach wird diese Drehbewegung über die Kegelräder 237 und 2 38, die die zweite Rotationsübertragungseinrichtung des vorderen Gelenkmechanismus 220a bilden, auf die zweite Übertragungswelle 249 übertragen. Somit werden die erste Antriebswelle 334 des hinteren Gelenkmechanismus 220b und die zweite Übertragungswelle 2 39 des vorderen Gelenkmechanismus 220a mit hoher Drehzahl gedreht.

Wenn die erste Antriebswelle 334 des hinteren Gelenkme-

chanismus 220b der Figur 19 mit hoher Drehzahl umläuft, wird diese Drehbewegung über das erste Reduktionsgetriebo, das am gegabelten Abschnitt 321b montiert ist, auf das Gelenkteil 22 3 übertragen, so daß dieses um die Achse 224 verschwenkt wird. Das Verbindungselement 244, das relativ zum hinteren Gelenkmechanismus 220b als eine Art von angetriebenem Gelenkteil wirkt, ist über das Lager 341 am Gelenkteil 323 befestigt, so daß das Verbindungselement 244 durch die Rotation des Gelenkteiles 32 3 in der in Figur 15b dargestellten Richtung c*21 verschwenkt wird.

Die Umlaufbewegung mit hoher^Drehzahl der zweiten Übertragungswelle 2 39 des vorderen Gelenkmechanismus 22 0a der Figur 14 wird über das zweite Reduktionsgetriebe 24 3 auf das angetriebene Gelenkteil 225 am entfernten Ende des Gelenkmechanismus übertragen, wodurch das angetriebene Gelenkteil 225 in der in Figur 15b angedeuteten Richtung <X. 22 um die Achse 224, die parallel zur Achse 324 ange-0 ordnet ist, verschwenkt wird. Folglich wird das zweite angetriebene Gelenkteil 225 um einen Winkel cX 2 relativ zur Mitteillinie des Armes 321 verschwenkt, d.h. um einen Winkel, der den Schwenkw inkeln oC 21 und oi 22 des hinteren und vorderen Gelenkmechanismus 220b und 220a ent-5 spricht.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird klar, daß durch gleichzeitigen oder getrennten Betrieb der Motoren M1 und M2 das angetriebene Gelenkteil 225 am entfernten Ende einer Gelenkeinheit, die den vorstehend beschriebenen Gelenkmechanismus an einem oder mehreren flexiblen Gelenken umfaßt, in irgendeiner Richtung-verschwenkt werden kann, um eine beliebige Stellung einzunehmen. In Figur 20 sind die verschiedenen Stellungen des Gelenkabschnittes in Richtung des Pfeiles D der Figuren 15 und

16 gesehen dargestellt. In diesem Fall wird das angetriebene Gelenkteil 225 nicht um seine Achse 225a (siehe die Figuren 13, 15 und 16) gedreht, so daß sich das Kabel oder der Schlauch, das bzw. der mit dem angetriebenen Gelenkteil in Verbindung steht, nicht um den Gelenkabschnitt wickeln kann.

Obwohl bei den in den Figuren 13 bis 16 dargestellten Gelenkeinheiten ein Gelenkmechanismus oder mehrere vorgesehen sind, kann auch eine aus drei Gelenkmechanismen bestehende Gelenkeinheit vorgesehen werden, in dem ein dem hinteren Gelenkmechanismus 2 20b entsprechender Gelenkmechanismus hinzugefügt wird. Es versteht sich ferner, daß der erfindungsgemäße Gelenkmechanismus auch bei anderen Gelenkabschnitten eines Roboters in ähnlicher Weise Verwendung finden kann, obwohl· er vorstehend in Verbindung mit einem speziellen Gelenkabschnitt eines Roboters beschrieben wurde.

Beim Verschwenken des erfindungsgemäß ausgebildeten Gelenkmechanismus wird eine Rotation mit hoher Drehzahl auf das Reduktionsgetriebe übertragen, das am Ende der Kraftübertragung vorgesehen ist, so daß der angetriebene Teil des Mechanismus mit einer reduzierten Drehzahl gedreht oder verschwenkt werden kann. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß Vibrationen, die durch Unregelmäßigkeiten in der Rotationsbewegung verursacht werden, oder Durchbiegungen bzw. andere Formänderungen der Ketten, Zahnräder oder Wellen sowie Fehler aufgrund des Spiels von Teilen, die bei der Kraftübertragung vor dem Reduktionsgetriebe angeordnet sind, auf das angetriebene Teil in Abhängigkeit vorn.Verhältnis der Drehzahlreduzierung des Reduktionsgetriebes in einem reduzierten Maßstab übertragen werden, wodurch die Genauigkeit des Dreh- oder Schwenkwinkels des Gelenkmechanismus und somit die Positionierungsgenauigkeit des entfernten Endes der Gelenkeinheit oder eines anderen Gelenkabschnittes des Roboters verbessert wird.

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Erfindungsgemäß wird somit ein flexibler Gelenkmochanismus für Industrieroboter, Manipulatoren uä. vorgeschlagen, der in Reihe zwei oder mehrere Gelenkeinheiten aufweist, die jeweils aus mindestens einem ersten Gelcnktoil, das auf der Antriebsseite angeordnet ist, und aus einem zweiten Gelenkteil bestehen, das auf der angetriebenen Seite angeordnet und relativ zu dem ersten Gelenkteil verschwenkbar ist. Der Gelenkmechanismus ist durch die nachfolgenden Bestandteile gekennzeichnet: eine Verbindungswelle, die senkrecht zu den Achsen des ersten und zweiten Gelenkteiles angeordnet ist und das erste und zweite Gelenkteil relativ zueinander verschwenkbar verbindet, eine Reduktionseinheit, die zwischen dem zweiten Gelenkteil und der Verbindungswelle angeordnet ist und den Schwenkwinkel des zweiten Gelenkteiles relativ zum ersten Gelenkteil begrenzt, und

eine Rotationsübertragungseinrichtung, die die Verbindunqswellen von benachbarten Gelenkeinheiten drehbar mitein-, ander verbindet.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

(K/Flexibler Gelenkmechanismus für Industrieroboter, der mehr als zwei in Reihe angeordnete Gelenkeinheiten umfaßt, die jeweils aus mindestens einem ersten Gelenkteil, das auf einer Antriebsseite angeordnet ist und einem zwei-5 ten Gelenktei-1, das auf einer angetriebenen Seite angeordnet und relativ zu dem ersten Gelenkteil verschwenkbar ist, bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkmechanismus die nachfolgenden Bestandteile aufweist:

10 Eine senkrecht zu den Achsen des ersten und zweiten Gelenkteiles (5a-d) angeordnete Verbindungswelle (19a, b, c), die das erste und zweite Gelenkteil relativ zueinander verschwenkbar verbindet;

15 eine zwischen dem zweiten Gelenkteil (5b) und der Verbindungswelle (19a) angeordnete Reduktionseinheit (36a, b, c), die den Schwenkwinkel des zweiten Gelenkteiles relativ zu dem ersten Gelenkteil (5a) begrenzt; und

20 eine Rotationsübertragungseinrichtung, die die Verbindungswellen (19a - c) von benachbarten Gelenkeinheiten miteinander verbindet.

Dresdner FatiK (Muürhpn) KIo 3'"

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2. Gelenkmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsübertragungseinrichtung an einem Ende der Verbindungswellen montierte Kettenräder (20a-d) und eine Kette (21a, b) umfaßt, die um die Kettenräder herumgeführt ist.
3. Gelenkmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren eine erste Antriebsquelle aufweist, die mit dem ersten Gelenkteil (5a) über eine Reduktionseinheit (36a) verbunden ist und den Gelenkmechanismus um seine Achse dreht, sowie eine zweite Antriebsquelle, die mit der Rotationsübertragungseinrichtung verbunden ist und die entsprechenden Gelenkteile relativ zu den Gelenkteilen auf der Antriebsseite verschwenkt.
4. Gelenkmechanismus nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionseinheit (36a-c) ein harmonisches Reduktionsgetriebe ist.
5. Gelenkmechanismus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgetriebe ein Planetenreduktionsgetriebe (36a¹¹- c'¹) ist.
6. Gelenkmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in einen flexiblen Schutzüberzug eingehüllt ist.
7. Gelenkmechanismus nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren eine zweite Rotationsübertragungseinrichtung aufweist, die an und zwischen Übertragungswellen vorgesehen ist, welche parallel zu den Verbindungswellen angeordnet sind, so daß auf diese Weise eine Drehbewegung auf einen Werkzeugmontageschaft (105) übertragen wird, der am entfernten Ende des Gelenkmechanismus vorgesehen und über einen senkrecht aufeinander-

kämmenden tibertragungsmechanismus mit der zweiten Rotationsübertragungseinrichtung verbunden ist.
8. Gelenkmechanismus nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet^ daß die zweite Rotationsübertragungseinrichtung

über eine Welle (109), die sich in Axialrichtung durch die Reduktionseinheit (115) erstreckt, die die erste Antriebsquelle mit dem ersten Gelenkteil verbindet, mit einer dritten Antriebsquelle verbunden ist.
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9. Gelenkmechanismus nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der tibertragungsmechanismus über eine Reduktionseinheit mit dem Werkzeugmontageschaft (105) verbunden ist.
10- Gelenkmechanismus nach Anspruch 7, dadurch gekenn-' zeichnet, daß die Reduktionseinheit ein harmonisches Reduktionsgetriebe ist.
11. Gelenkmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren eine Gelenkeinheit mit den folgenden Bestandteilen umfaßt:

ein Antriebsgelenkteil, das auf einer Antriebsseite eines Roboterteiles montiert ist;

eine erste und zweite coaxiale Antriebswelle (235, 236), die senkrecht zur Achse des Antriebsgelenkteiles montiert sind;

ein am Antriebsgelenkteil gelagertes Gelenkteil, das über eine erste Reduktionseinheit (242) um die Achsen der ersten und zweiten Antriebswelle (2 35, 2 36) drehbar ist; eine zweite Übertragungswelle (239), die über eine zweite Rotationsübertragungseinrichtung in senkrechter Richtung mit der zweiten Antriebswelle (236) verbunden ist; und

-A-

ein angetriebenes Gelenkteil (225), das an dem Gelenkteil gelagert und über eine zweite Reduktionseinheit (243) um die Achse der zweiten Übertragungswelle (2 39) drehbar ist.
12.Gelenkmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren eine Gelenkeinheit mit den nachfolgenden Bestandteilen umfaßt:

ein Antriebsgelenkteil, das an einem Roboterteil auf einer Antriebsseite montiert ist;

eine erste und zweite coaxiale Antriebswelle (334, 336), die senkrecht zur Achse des Antriebsgelenkteiles montiert sind;
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eine erste Übertragungswelle (349), die in senkrechter Richtung mit der ersten Antriebswelle verbunden ist;

ein an dem Antriebsgelenkteil gelagertes Gelenkteil, das über eine erste Reduktionseinheit (342) um die Achsen der ersten und zweiten Antriebswelle (334, 336) drehbar ist;

eine zweite Übertragungswelle (339), die über eine zweite Rotationsübertragungs einrichtung in senkrechter Richtung mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist; und

ein angetriebenes Gelenkteil, das an dem Gelenkteil gelagert und über eine zweite Reduktionseinheit (343) um die Achse der zweiten Übertragungswelle (339) drehbar ist. 30