DE3730584A1

DE3730584A1 - Ruesselartige gelenkeinheit, vorzugsweise fuer industrieroboter

Info

Publication number: DE3730584A1
Application number: DE19873730584
Authority: DE
Inventors: Johannes Prof Dr Ing Volmer; Joerg Dipl Ing Mueglitz
Original assignee: KARL MARX STADT TECH HOCHSCHUL
Current assignee: KARL MARX STADT TECH HOCHSCHUL
Priority date: 1986-09-23
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1988-03-31
Also published as: DD272002A3

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Gelenkeinheit für Roboter, die durch eine elefantenrüsselähnliche Funktion die Beweglich keit und den Arbeitsraum des Roboters entscheidend ver größert und der Realisierung von schnell zu durchfahrenden, komplizierten Bahnkurven für das Arbeitsorgan dienlich ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Lösungen für rüsselähnliche Einrichtungen für Industrieroboter bekannt. Eine relativ einfache Anordnung ist in der DE-OS 32 09 270 beschrieben. Das Handgelenk ist hierbei nur in einer Ebene beweglich, die Manövrierbarkeit des Arbeitsorganes entsprechend gering. Sehr ähnlich wird die Aufgabe in der DE-OS 31 35 088 gelöst. Als Glieder zur Bewegungsübertragung werden Hebel, Seile und Räder, auch unkreisförmige, vorgeschlagen. Bekannt sind auch um zwei Achsen bewegliche Einrichtungen; sie sind in der Lage, das Arbeitsorgan auf einer für derartige Konstruktionen typischen, schirmartigen Fläche zu bewegen (Volmer, Industrieroboter-Entwicklung, VEB Verlag Technik Berlin 1983 S. 97). Die eingesetzten räumlichen Verzahnungen sind sehr fertigungsaufwendig, verschleiß- und störanfällig. In der DE-OS 33 34 104 wurden diese durch Kugel-Rohrgelenke ersetzt. Eine anthropomorphe Konstruktion, ähnlich einer Wirbelsäule, wird im EP 00 17 016 beschrieben. Bikonvexe Scheiben größerer Anzahl werden mittels vorgespannter Drahtseile zusammenge halten. Durch entsprechende Verstellung der Seilzüge wälzen die konvexen Oberflächen aufeinander ab und bewirken eine Beugung. Ein Nachteil dieser Lösung ist der große steuerungstechnische Aufwand zur Kompensation der bei der Bewegung veränderlichen Länge des Polygonzuges, den die Seilzüge bilden (Metalloberfläche München 37 (1983) 8 S. 327). Ebenfalls mit Seilzügen erfolgt der Antrieb einer Gelenk einheit im französischen Patent 23 78 612.

Im EP 00 09 447 wird ein Gelenk für Manipulatorarme beschrieben. Dieses besteht aus drei Hebeln, die zwei Kränze miteinander verbinden. Die Verbindung der Kränze und Hebel geschieht bei zwei Hebeln durch je ein Kardan- und ein Kugel gelenk, bei einem Hebel mit zwei Kardangelenken. Es entsteht ein fünfgliedriges räumliches Getriebe, dessen kinematische Kette und auch Struktur sind seit langem bekannt. Sie ergeben sich durch Glieder- und Gelenkerweiterung eines räumlichen Viergelenkgetriebes, z. B. des Benett-Getriebes (Altmann, Räumliche fünfgliedrige Koppelgetriebe, Konstruktion 6 (1954) S. 254-259). Durch die ausschließliche Verwendung von Drehge lenken ist eine relativ spielarme Konstruktion möglich. Bei entsprechender Wahl der kinematischen Abmessungen entsteht ein symmetrischer Arbeitsraum, der allerdings mit sehr un günstigen Übertragungswinkeln erkauft wird. Durch den An trieb von zwei der drei Hebel über sogenannte gekröpfte Ansatzstücke ergeben sich ungünstige Übersetzungsver hältnisse und damit ungünstig große Kräfte. Die beiden Hebel werden auf Biegung beansprucht und sind deshalb ent sprechend steif auszulegen. Es ist keine Möglichkeit vorge sehen, mehrere Gelenke zwangsläufig hintereinander anzuordnen, um damit die Beweglichkeit weiter zu erhöhen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine einfache, nur aus Drehgelenken aufgebaute räumliche Gelenkeinheit, die zur Erhöhung der Beweglichkeit mehrfach zwangsläufig hintereinanderschaltbar ist, zu schaffen, die als Ergänzungseinheit für Industriero boter dessen Einsatzmöglichkeiten erweitert und die Wirt schaftlichkeit des Industrierobotereinsatzes erhöht bzw. einen Robotereinsatz erst möglich macht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gelenkeinheit mit rüssel ähnlicher Funktion zu schaffen, die den komplizierten Aufbau vieler bisher bekannter Lösungen vermeidet und beliebig oft zwangsläufig hintereinanderschaltbar ist. Im Vergleich zu bisher bekannten Lösungen soll die Anzahl des Gesamtgelenk freiheitsgrades verringert werden, was sich positiv auf Ver schleiß- und Spieleinflüße auswirken wird. Gleichzeitig soll ein möglichst gut die Symmetrie annähernder Arbeitsraum entstehen, unter der Prämisse, daß die Übertragungswinkel und damit die Gelenkkräfte günstig sind.

Erfindungsgemäß ist die Gelenkeinheit als sechsgliedriges räumliches Koppelgetriebe ausgeführt. Eine Antriebsstange ist mit einem Kardangelenk an einem Gestell befestigt und kann mit zwei Linearantrieben in zwei Ebenen bewegt werden. Mit einer ebenfalls mit einem Kardangelenk im Gestell gelagerten ersten Stange und einer Koppel bildet diese ein ebenes viergliedriges Koppelgetriebe, welches in einer zweiten Ebene um das Gestell geschwenkt werden kann. Dazu müssen die senkrechten Dreh achsen der Kardangelenke gestellfest angeordnet werden. Für die Verbindungen zwischen der Koppel und der ersten Stange und der Koppel und der Antriebsstange werden ebene Drehgelenke eingesetzt. Die Antriebsstange und die erste Stange sind ge kreuzt angeordnet und die kinematischen Abmessungen so fest gelegt, daß in der Ausgangsstellung der Gelenkeinheit sich ein optimaler Übertragungswinkel von 90 Grad zwischen der ersten Stange und der Koppel ergibt. Eine zweite Stange ist in einer um 90 Grad verdrehten Ebene zu diesem Viergelenkgetriebe mit einem Kardangelenk am Gestell befestigt und bildet mit diesem und einem Abtriebsglied ein räumliches sechsgliedriges Getriebe. Zwischen der Koppel und dem Abtriebsglied ist ein ebenes Drehgelenk derart angeordnet, daß dessen Achse in einer waagerechten Ausgangsstellung des Getriebes senkrecht im Raum steht. Zwischen der zweiten Stange, die aus Gründen der kollisionsfreien Beweglichkeit rahmenartig gestaltet ist, und dem Abtriebsglied ist ein Drehgelenk mit dem Freiheitsgrad 3, z. B. ein Kugelgelenk oder ein um seine Längsachse beweg liches Kardangelenk, angeordnet. Um mehrere Gelenkeinheiten dieser Art zwangsläufig hintereinanderzuschalten, wird die Antriebsstange der ersten Gelenkeinheit als Gestell für die zweite Gelenkeinheit verwendet, das heißt, die erste und die zweite Stange der zweiten Gelenkeinheit werden mit Kardange lenken an der Antriebsstange der ersten Gelenkeinheit, die dafür besonders gestaltet ist, befestigt. Die Antriebsstange der zweiten Gelenkeinheit wird fest mit dem Abtriebsglied der ersten Gelenkeinheit verbunden. In der zweiten Gelenkeinheit ist das ebene Drehgelenk zwischen der ersten Stange und der Koppel durch ein Mehrfachdrehgelenk mit drei Freiheiten er setzt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher er läutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 - das kinematische Schema zweier hintereinanderge schalteter Gelenkeinheiten in einer ausgelenkten Stellung,

Fig. 2 - eine Skizze zur Bewegungssimulation der wich tigsten Getriebeglieder der Gelenkeinheiten,

Fig. 3 - eine konstruktiv gestaltete Variante zweier hin tereinandergeschalteter Gelenkeinheiten und

Fig. 4 - eine räumliche Darstellung des Arbeitsraumes.

Die Antriebsstange 2 ist mit dem Kardangelenk I am Gestell 1 befestigt. Mit Hilfe der Linearantriebe 11 und 12, vorteilhaft Hydraulikzylinder, die mit der Antriebsstange 2 über die Gelenke XV und XVII und dem Gestell über die Gelenke XIV und XVI verbunden sind, kann die Antriebsstange 2 in zwei Ebenen im Raum bewegt werden. Mit ebenen Drehgelenken IV und V sind die Antriebsstange 2 und die erste Koppel 5 und die erste Zugstange 3 und die erste Koppel 5 verbunden, die erste Zug stange 3 ist mit dem Kardangelenk III im Gestell gelagert. Die senkrechten Drehachsen der Gelenke I und III müssen identisch sein. Das wird dadurch gelöst, daß die Kardangelenke so eingebaut werden, daß deren eine Drehachse senkrecht und gestellfest angeordnet wird. Demzufolge kann sich die erste Koppel 5 nur in einer Ebene bewegen, die durch die Antriebs stange 2 und eine Senkrechte aufgespannt wird. Die kine matischen Abmessungen sind vorteilhaft so gewählt, daß der Winkel zwischen den Getriebegliedern 3 und 5 in der Ausgangs lage 90 Grad beträgt. Der Winkel zwischen der Verbindungs geraden der Gelenke IV und V und der Gelenkachse des Gelenkes VI wird vorteilhaft so gewählt, daß in der Ausgangsstellung des Getriebes die Gelenkachse des Gelenkes VI eine Senkrechte ist. Um diese Achse ist das erste Abtriebsglied 6 um die erste Koppel 5 drehbar und mit einem Drehgelenk VII vom Freiheits grad 3 mit dem ersten Rahmenteil 4 verbunden. Das erste Rahmenteil 4 ist über das Kardangelenk II mit dem Gestell 1 verbunden. Dabei ist es günstig, wenn die Kardangelenke I, II, III einen Winkel von 90 Grad aufspannen. Bei einer Be wegung des Antriebselementes 11 wird sich das Abtriebsglied 6 in der XY-Ebene, bei Bewegung des Antriebselementes 12 in der XZ-Ebene bewegen. Durch Überlagerung der beiden An triebskoordinanten v und w ergibt sich der in Fig. 4 gezeigte Arbeitsraum.

Zur Erhöhung der Beweglichkeit ist es möglich, eine Anzahl der eben beschriebenen Gelenkeinheit zwangsläufig hinter einanderzuschalten. Dabei ersetzt die Antriebsstange 2 für die folgende Gelenkeinheit das Gestell 1, d. h., die zweite Zugstange 7 und das zweite Rahmenteil 8 sind durch die Gelenke VIII und IX mit der Antriebsstange 2 verbunden. Das erste Abtriebsglied 6 ist mit der zweiten Antriebsstange identisch.

Da die Gelenkachsen der Gelenke VI und IX nicht identisch sind, ist für das Gelenk XI zwischen der zweiten Zugstange 7 und der zweiten Koppel 9 ein Drehgelenk mit dem Freiheitsgrad 3 einzusetzen. Die Verbindung zwischen dem ersten Abtriebs glied 6 und der zweiten Koppel 9 und dem zweiten Abtriebsglied 10 und dem zweiten Rahmenteil 8 mit den Gelenken X, XII und XIII geschieht in oben beschriebener Weise.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 - Gestell
2 - Antriebsstange
3 - erste Zugstange
4 - erstes Rahmenteil
5 - erste Koppel
6 - erstes Abtriebsglied
7 - zweite Zugstange
8 - zweites Rahmenteil
9 - zweite Koppel
10 - zweites Abtriebsglied
11, 12 - Antriebselemente
I-XVII - Gelenke

Claims

1. Rüsselartige Gelenkeinheit, vorzugsweise für Industriero boter, gekennzeichnet dadurch, daß eine Antriebsstange (2) mit einem Kardangelenk (I) an einem Gestell (1) befestigt ist und von den Antriebselementen (11), (12) in zwei Ebenen im Raum bewegt werden kann; die Antriebsstange (2) mit einem ebenen Drehgelenk (IV) mit der ersten Koppel (5) verbunden ist, welche wiederum mit einem ebenen Drehgelenk mit der ersten Zugstange (3) verbunden ist und diese mit einem Kardangelenk (III) im Gestell (1) gelagert ist; die Gelenkachsen der ebenen Drehgelenke (IV), (V) und je eine Gelenkachse der Kardange lenke (I), (III) parallel sind; an der ersten Koppel (5) ein ebenes Drehgelenk (VI) derart angeordnet ist, daß dessen Achse nicht mit einer Geraden durch die Gelenkmittelpunkte der Gelenke (IV) und (V) zusammenfällt und in einer Ausgangslage senkrecht ist; mit dem Gelenk (VI) an der ersten Koppel (5) das erste Abtriebsglied (6) gelagert ist und dieses mit einem Drehgelenk (VII) vom Freiheitsgrad 3 mit dem ersten Rahmenteil (4) verbunden ist und das erste Rahmenteil (4) mit einem Kardangelenk (II) im Gestell (I) befestigt ist, wobei die Gelenke (II), (I), (III) vorteilhaft einen Winkel von 90 Grad aufspannen.

2. Rüsselartige Gelenkeinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Antriebsstange (2) als Gestell für die nächste Gelenkeinheit dient und an ihr mit den Kardangelenken (VIII), (IX) das zweite Rahmenteil (8) und die zweite Zug stange (7) befestigt sind; das erste Abtriebsglied (6) und die zweite Antriebsstange identisch sind; die Verbindung zwischen der zweiten Koppel (9 ) und der zweiten Zugstange (7) durch ein Drehgelenk mit dem Freiheitsgrad F = 3 (XI) hergestellt wird und die Gelenke (X), (XII) und (XIII) in gleicher Weise wie die Gelenke (IV), (VI), (VII) das erste Abtriebsglied (6) mit der zweiten Koppel (9) und das zweite Abtriebsglied (10) mit dem zweiten Rahmenteil (8) verbinden.