DE4014001A1 - Antriebseinheit fuer robotsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Robotsystem sowie ein Robotsystem mit mehreren derartigen Antriebseinheiten.

Robotsysteme sind für Fernhantierungsaufgaben seit langem bekannt. Dazu gehören unter anderem Master-Slave-Roboter oder Parallel-Manipulatoren, z. B. für einen Einsatz in kerntechnischen oder anderen Anlagen, die für Menschen nicht zugänglich sind. Dabei kommen insbesondere elektrische Systeme zum Einsatz sowohl für die Übertragung der Energie zwischen den parallelen Master- und Slave-Geräten als auch für die Antriebe der Geräte selbst.

Weiterhin sind wegen ihrer gewichtsbezogen hohen spezifischen Leistung Hydraulikantriebe gebräuchlich. Zur Untersetzung auf die notwendigen geringen Betriebsgeschwindigkeiten werden diese Antriebe häufig als kombinierte Motorgetriebeeinheiten eingesetzt.

Aus "Industrial Robots", EPO Applied Technology Series, Vol. 2, Pergamon Press 1984, ist bekannt, Roboter mit austauschbaren Modulen zu bauen (Seite 32) und mehrere gleichartige elektrische Antriebseinheiten zu verwenden (Seite 37).

Derartige elektrische oder hydraulische Antriebe haben in der Regel einen mechanischen Abtrieb sowie je einen Anschluß für Steuerspannung und die energetischen - elektrische oder hydraulische - Übertragungsglieder.

Dies ist z. B. dargestellt in der DE-Zeitschrift "Robotersysteme", Heft 4, 1986, Seite 230, Bild 10 und Seite 239, Bild 1 und 2.

Diese Antriebseinheiten in Modulbauweise sind in der Regel nicht oder nur sehr umständlich fernhantierbar auszutauschen und müßten daher von Wartungspersonal demontiert und montiert werden. Dies ist unter radioaktiver oder giftiger atmosphärischer Umgebung nicht möglich.

Von daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinheit und ein Robotsystem vorzuschlagen, die einen einfachen fernkontrollierbaren und betriebssicheren Wechsel der Antriebseinheiten ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch in die Antriebseinheit integrierbare Mittel zur synchronen Kopplung mechanischer und energetischer Übertragungsglieder. Darunter ist die zeitgleiche in einem einzigen Bewegungsablauf durchführbare Kopplung mit Steckverbindern sowohl des Antriebes als auch des Abtriebes der Antriebseinheiten zu verstehen. Dabei kann die Steckverbindung vorzugsweise durch eine translatorische Steckbewegung, aber auch durch eine rotatorische oder kombinierte, z. B. schraubenförmige Bewegung geschehen. Es wird gleichzeitig eine Verbindung für die Übertragung der Steuersignale der Antriebsenergie und der Abtriebsenergie hergestellt. Bei elektrischer Steckverbindung kann dies mit üblichen Elektrostiften geschehen; der Abtrieb kann als Wellenverbindung ausgelegt sein. Fluidverbindungen könnten als übliche Schlauchstecksysteme realisiert werden. Die tatsächlich richtige Kopplung der Übertragungsglieder kann erforderlichenfalls durch Prüfung des elektrischen Durchganges, Schnappverbinder oder Kontaktstifte, z. B. mit Schaltungsfreigabe sichergestellt werden.

Zur sicheren Verbindung gehört auch die exakte Zentrierung, erfindungsgemäß vorzugsweise durch eine redundante mehrfache Zentrierung. Bei einer Steckverbindung kann dies vorteilhafterweise durch eine während der translatorischen Steckbewegung zunächst greifende Vorzentrierung geschehen; die Mittel dazu werden vorzugsweise achsenparallel versetzt zu den Übertragungsgliedern angeordnet. Derartige Vorzentrierungs- und Zentrierungselemente bestehen z. B. aus zwei konischen Führungsstiften, die zunächst greifen bevor weitere Zentrierungsmittel wie Hülsen und Vielnutstecker oder Vielnutwellen, die exakte Lagezuordnung der zu koppelnden Übertragungsglieder sicherstellen.

Ein gestuftes Vorzentrierungssystem ist für sich aus einzelnen Bauteilverbindungen her bekannt, jedoch nicht für in einer Kontaktebene, z. B. auf einer gemeinsamen Frontplatte an der Antriebseinheit gelegene Übertragungsglieder für alle benötigten Verbindungen gleichzeitig. Bei dem erfindungsgemäßen Zentrierungssystem ist eine Beschädigung stoßempfindlicher Übertragungselemente ausgeschlossen.

Erfindungsgemäß dient mindestens eines der Zentriermittel gleichzeitig als Drehmomentstütze für einen mechanischen Abtrieb. Dies erspart die zusätzliche Anordnung eines solchen Bauelementes.

Die Anordnung aller Übertragungsglieder auf einer Frontplatte einer Antriebseinheit ermöglicht es erfindungsgemäß, z. B. durch eine in die Frontplatte eingelassene, die Übertragungsglieder umfassende Ringdichtung gegen Schmutz, Wasser und Luft abzudichten. Die Geräte sind dann auch für einen Unterwassereinsatz gerüstet.

Die Antriebseinheit kann als kombinierte Motor-Getriebe-Einheit ausgebildet sein. Auch bei einer derartigen Systemeinheit werden alle Übertragungsglieder auf einer Bauteilfläche der Antriebseinheit konzentriert, um ein gleichzeitiges Stecken oder sonstiges Verbinden innerhalb eines einzigen Bewegungsablaufes zu ermöglichen.

Die Antriebseinheit kann in Fortführung des Erfindungsgedankens an ihrem Gehäuse mit einem Greifelement für ein fernhantierbares Wechseln der Einheit versehen sein. Im günstigsten Fall genügt ein Greifflächenpaar an den gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses für die Backen einer Greifzange eines Roboters. Das Greifelement sollte auf jeden Fall eine rotatorische und translatorische Bewegung der Antriebseinheit gegen einen Widerstand zulassen.

Ein erfindungsgemäßes Robotsystem weist für seine Bewegungsfunktionen ausschließlich identische Antriebseinheiten mit einem Elektro-Getriebemotor auf. Die Baugleichheit reduziert den Aufwand für die Reserveteillagerung und vermeidet bei der Fernhantierung die Verwechselung von Antrieben.

In weiterer Ausgestaltung dieser Idee ist es dann möglich, den Antriebseinheiten durch eine entsprechende elektrische und/oder mechanische Schaltung im Robotsystem den jeweiligen Antriebseinheiten wechselweise eine andere Aufgabe oder Bewegungsfunktion zuzuordnen. Dieser Vorteil kann bei Ausfall einer Antriebseinheit genutzt werden, ohne daß diese sofort ersetzt werden müßte. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Robotsystem mit einer derartigen Schaltung mit den eigenen Greifvorrichtungen eine Antriebseinheit austauschen könnte. Der dabei zeitweilig außer Funktion zu setzende Antrieb, z. B. für eine bestimmte Armbewegung des Robotsystems könnte durch Umschalten von der zugehörigen Antriebseinheit auf eine andere identische Antriebseinheit überbrückt werden, so daß die Bewegung trotz Fehlens der zuständigen Antriebseinheit ausgeführt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 die Vorderansicht einer Antriebseinheit,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Antriebseinheit mit Teilschnitt II-II gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Roboter.

Die Frontplatte 4 einer Antriebseinheit 1 ist mit der Verschraubung 18 mit dem Getriebe 3 (Fig. 2) verbunden. Das Getriebe hat eine Abtriebswelle 9 mit Vorzentrierung 11 und Verzahnung 10. Die Abtriebswelle 9 liegt zentrisch in einem Zentrierring 12. Je eine Zentrierhülse 13 umgreift einen Steuerstromverbinder 14 und einen Kraftstromverbinder 15. Die Zentrierhülsen 13 und der Zentrierring 12 werden von einer Ringnut 17 mit darin angeordnetem Dichtring 16 umfaßt. Auf der rechteckigen Frontplatte 4 sind an zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken je ein Vorzentrierstift 8 und zwei Stifte 20 außerhalb der Ringnut 17 angeordnet. Die beiden Stifte 20 liegen auf gleicher Höhe mit Parallelversatz zu den ebenfalls auf gleicher Höhe liegenden Achsen der Verbinder 14, 15 für Steuerstrom und Kraftstrom.

In Fig. 2 ist die Antriebseinheit 1 seitlich dargestellt. Vor einem Elektromotor 2 mit Gehäuse 6 ist ein Getriebe 3 mit Frontplatte 4 durch Verschraubung 18 angeschraubt. Abtriebswelle 9 mit Vorzentrierung 11 sowie Vorzentrierstift 8, Stift 20, Zentrierhülse 13, Zentrierring 12 und Steuerstromverbinder 14 ragen in unterschiedlicher Höhe aus der ebenen Frontplatte 4 hervor.

Beim Austauschen einer Antriebseinheit kann ein Roboter 5 (Fig. 3) an den Greifelementen 7, hier dargestellt als Griffflächenpaar am Gehäuse 6, die Antriebseinheit 1 fassen und mit einer translatorischen Bewegung auf eine hier nicht dargestellte Gegenplatte zur Frontplatte 4 eines nicht dargestellten Roboters anflanschen. Dabei greift zunächst die Vorzentrierung 11 der Abtriebswelle 9 des Getriebes 3 in ein komplementäres Antriebselement des nicht dargestellten Roboters. Sollte die Verzahnung 10 nicht sofort greifen, kann die gesamte Antriebseinheit 1 solange gedreht werden, bis die Verzahnung 10 in eine Komplementärverzahnung des Gegenelementes (nicht dargestellt) greift. Dann wird die Antriebseinheit weitergedreht, bis die Vorzentrierstifte 8 in die Gegenplatte greifen, so daß eine weitere translatorische Bewegung der gesamten Antriebseinheit 1 möglich ist, bis beide Stifte 20 in ihrer Sollposition zur Anlage kommen. Damit ist eine parallele Ausrichtung der Frontplatte 4 zu ihrer Gegenplatte sichergestellt und die Zentrierhülsen 13 und Zentrierring 12 können in ihre Komplementärelemente eingeführt werden, so daß schließlich die Stifte der Kraftstrom- und Steuerstromverbinder 14, 15 genau positioniert sind. Durch die Mehrfachzentrierung ist in der Regel die Antriebseinheit 1 jetzt exakt angeordnet. Erforderlichenfalls kann mit Hilfe einer elektrischen Durchgangsprüfung der Verbinder 14, 15 oder mit einem Fühler, z. B. an Arretiernut 19 festgestellt werden, ob die Frontplatte 4 tatsächlich Kontakt mit der Gegenplatte hat und der Dichtring 16 dichtend zwischen beiden Platten liegt. Ist dies der Fall, kann beispielsweise in die Arretiernuten 19 der Vorzentrierstifte 8 eine Schnappverbindung eingreifen, die die Antriebseinheit 1 fest an dem Roboter verankert.

Alternativ können die Vorzentrierstifte 8 mit Gewinde versehen sein und unter der Gegenplatte verschraubt werden. Die Vorzentrierstifte 8 bzw. die Stifte 20 können als Drehmomentstütze für die Antriebseinheit 1 dienen.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Roboter, an dessen Rückseite drei Antriebseinheiten 1 angeflanscht sind, von denen die mittlere Antriebseinheit 1 um 90° gegenüber den äußeren Antriebseinheiten 1 versetzt angeordnet ist. Die Frontplatten 4 liegen dichtend an dem Körper des Roboters 5 an. Erforderlichenfalls kann der Roboter 5 seinen Arm 21 mit nicht dargestelltem Werkzeug derart bewegen, daß er eine Antriebseinheit 1 an den Griffelementen 7 greifen und durch eine andere Antriebseinheit 1 ersetzen kann. Genausogut ist es natürlich möglich, durch andere, nicht dargestellte Roboter oder Wartungspersonal derartige Antriebseinheiten 1 austauschen zu lassen. Durch die Anordnung der Antriebseinheiten 1 hinter dem Körper des Roboters 5 ist dieser insgesamt schlank gebaut und kann auch in engen Räumen bzw. durch kleine Öffnungen hindurch arbeiten. Sollte ein Roboter 5 in einem Kessel arbeiten, dea nur durch ein Mannloch zugänglich ist, wäre es erforderlichenfalls möglich, den Roboter derart zu dem Mannloch zu positionieren, daß nur die Antriebseinheiten 1 aus dem Mannloch ragen, um beispielsweise eine der Antriebseinheiten 1 austauschen zu können.

Claims (10)

1. Antriebseinheit für Robotsysteme mit Steckverbindern, gekennzeichnet durch Mittel (4, 19, 20) zur synchronen Kopplung mechanischer und energetischer Übertragungsglieder (9, 14, 15).

2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (10, 12, 13) zur mehrfachen Zentrierung der Übertragungsglieder.

3. Antriebseinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch auf einer gemeinsamen Frontplatte (4) angeordnete Übertragungsglieder (9, 14, 15).

4. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (8, 11; 4) zur Vorzentrierung an und parallel zu auf einer Ebene liegenden Übertragungsgliedern.

5. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (8; 20) zur Zentrierung gleichzeitig als Drehmomentstütze ausgebildet sind.

6. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Übertragungsglieder (9, 14, 15) eine gemeinsame Dichtung (16) gegen Umweltmedien aufweisen.

7. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Elektromotor (2) mit angekoppeltem Getriebe (3), deren Energiezuführung (14, 15) und Abtrieb (9) auf einer Fläche eines Bauteils (4) konzentriert sind.

8. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Greifelement (7) an seinem Gehäuse (6).

9. Robotsystem mit mehreren Antriebseinheiten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bewegungsfunktionen alle Antriebseinheiten (1) als identische Elektro-Getriebemotore ausgebildet sind.

10. Robotsystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zur wechselweisen Zuordnung einer Antriebseinheit (1) für eine beliebige Bewegungsfunktion.