DE4014003C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Robotergelenkarm für Master-Slave-Roboter.

Zur kontrollierten Bewegung des Werkzeugarmes eines Roboters und zur vorbestimmbaren Kraftübertragung ist das Gewicht des Arbeitsarmes zu kompensieren. Dieser Arbeitsarm kann aus ein oder mehreren Gliedern bestehen.

DE 20 48 563 beschreibt einen Teleoperator mit einem Steuerarm, bei dem das Gewicht des Teilarmes mit einem Parallelogramm in zwei Achsen kompensiert werden kann. Durch das Anflanschen des Parallelogrammes an ein Rad oder dessen Drehachse gelingt jedoch eine lageneutrale Kompensation der Armgewichte oder eine stetige Kompensation in jeder Dreh- und Schwenklage des Masterarmes nicht.
US 40 78 670 schlägt zur Kompensation des Gewichtes eines Armes ein Parallelogramm, bestehend aus Längsgliedern und den dazugehörenden kurzen Gliedern, die um verschiedene Drehpunkte beweglich sind, vor. Die beidseitig angeordneten Gegengewichte können bei dieser Vorrichtung nur die Anteile gewichtsmäßig kompensieren, die in Richtung auf die Werkzeughand vor ihnen angeordnet sind. Eine Kompensation der hinter dem Gewichtsdrehpunkt liegenden Teile kann wegen der Unsymmetrie nicht lageneutral kompensiert werden.

Bei den vorgeschlagenen Systemen in "Industrial Robots", EPO Applied Technology Series Vol. 2, Pergamon Press 1984, Seite 101-103, sind dazu unterschiedliche Vorschläge aus der Patentliteratur erfaßt.

Ein mechanisches System mit Seilzügen und Federn (WO 89/1774) kompensiert die Schwerkraft des Armes derart, daß der Arbeitspunkt des Robotarmes in jedem Ort seiner Bewegungslinie gewichtsentlastet ist. Dazu wird ein Seil durch den Schwerpunkt des Armes geführt. Bei einem als Parallelogramm ausgebildeten Arm eines Roboters (JP 52.79 468) wird dessen Schwergewicht durch an sich bekannte, gegen Speicherdruck arbeitende, Fluidzylinder kompensiert.

Beide Systeme können keinen Gewichtsausgleich bei Armbewegungen um eine horizontale Achse bieten. Außerdem ist der Gewichtsausgleich nicht stets konstant, da die Federn und das gegen Speicherdruck arbeitende System keine konstanten Kraftverhältnisse haben.

Von daher ist es Aufgabe der Erfindung, einen konstanten Ausgleich für alle Eigengewichtsmomente eines Robotarmes für Master-Slave-Roboter in allen Arbeitslagen vorzugeben und dabei die Nachteile der bekannten Systeme zu vermeiden.

Als Lösung wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum mechanischen Ausgleich der Eigengewichtsmomente eines Robotarmes für Master-Slave-Roboter, die Mittel zur lageneutralen stetigen Kompensation aufweist, vorgeschlagen.

Die Erfindung geht von zweierlei bekannten Techniken aus. Die Erkenntnis, daß Fluidsysteme auf Dauer leck werden können und Seil-Feder-Systeme ermüden bzw. materialbedingt zur Längung neigen, führten zur Konstruktion eines Gegengewichtsausgleiches. Eine exakte Kompensation kann jedoch nur erreicht werden, wenn das Gegengewicht stets auf der Schwerachse des zu kompensierenden Systems liegt. Dies ist beim Stand der Technik nur möglich, wenn eines der Kompensationsglieder durch den Schwerpunkt des Robotarmes bzw. des Robotkörpers geführt wird. Diese Forderung wirkt einer konzentrierten Bauform eines Roboters entgegen.

Daher wurden Mittel vorgesehen, die durch ein parallelogrammartiges Getriebe und ein Gegengewicht, die außerhalb des Schwerpunktes liegen, aber ein von der Lage des Armes oder Robotkörpers unabhängiges stetiges Ausgleichen des Eigengewichtsmomentes bewirken. Dabei ist es gleichgültig, ob der Arm dreht, vor- oder zurückgezogen wird oder ob der gesamte Robotkörper in Normal- oder Über-Kopf-Lage arbeitet. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem die Achse des Gegengewichtes in jeder Lage des Robotarmes stets die Schwerachse des Roboters schneidet. Damit kann der Arm gewichtsneutral in einer indifferenten Lage gehalten werden, ohne daß Kräfte zur Eigengewichtskompensation aufgebracht werden müssen.

Das Gewicht kann dabei fliegend gelagert werden. Es braucht nicht im Robotkörper untergebracht zu werden und spart somit Platz. Eine verschiebbare Anordnung des Gegengewichtes ermöglicht ein genaues Austarieren und die Verwendung unterschiedlich schwerer Materialien für das Gegengewicht.

Zum genauen Einstellen des Parallelogramms bzw. des Ausgleichens von Fertigungstoleranzen dient auch eine Verstellung eines Toleranzgliedes vorzugsweise zwischen einem zu bewegenden Robotarm und einem weiteren Drehpunkt im Robotkörper.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Parallelogramm einmal oder mehrfach doppeltwirkend ausgelegt. Diese Auslegung dient mehreren Zwecken. Damit wird eine enge Parallelogrammführung innerhalb der Robotarme ermöglicht; ein Glied liegt z. B. fest und direkt in einer Schwerachse des Roboters. Ein parallelgeführtes Glied eines ersten wirkenden Parallelogrammes kann ein weiteres Glied mit verlängerter Hebelübersetzung eines zweiten Parallelogrammes nach Art eines Scherenparallelogrammes bewegen. Damit sind trotz kleiner Hübe des ersten getriebenen Gliedes größere Stellbewegungen am Scherenhebelende möglich.

Die zweite Doppelwirkung ergibt sich aus parallel angeordneten Gliedern einer Parallelogrammseite. Damit wird eine exakte seitliche Führung eines zwischen diesen Gliedern angeordneten Gegengewichtes erreicht und die Einzelkräfte in den Gliedern halbieren sich, so daß eine weitere Miniaturisierung des Roboters möglich ist. Schließlich kann durch über die Drehpunkte hinaus verlängerte Glieder eines Parallelogrammes der Hebelweg des Gegengewichtes beispielsweise verdoppelt werden.

Vorteilhafterweise kann eine derartige Vorrichtung in ein Master-Slave-Gerät integriert werden. Durch entsprechende Anordnung je einer Vorrichtung der genannten Art im Master- und im Slave-Gerät läßt sich eine von Eigengewichtsmomenten des Robotarmes wirkungsfreie Rückführung zum Mastergerät erreichen, in dem durch entsprechende Gegengewichts-Tarierung die Reibungskräfte im Robotsystem zusätzlich zu den Eigengewichten kompensiert werden. Dadurch ist eine Übertragung der Effektivkräfte vom Mastergerät zum Slavegerät und umgekehrt möglich, ohne störende Überlagerung von Dissipationskräften.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein Robotgerät,

Fig. 2 einen Schnitt II-II gemäß Fig. 1 durch das Robotgerät.

Vor den Körper 17 eines Roboters ist ein Oberarm 3 angeflanscht, der in Drehachse 1 mit einem Unterarm 18 verbunden ist. Im Schwerpunkt S des mit angewinkeltem Unterarm 18 dargestellten Roboters schneiden sich die beiden Schwerachsen S1 und S2. Der Antrieb des Armgliedes 18 ist nicht dargestellt, um eine bessere Übersicht über das System bieten zu können. Der Oberarm 3 ist an seinem Gehäuse 2 durch Stift 5 mit einem Halter 31 im Inneren des Robotkörpers fest verbunden. In dem Gehäuse 2 ist in Lager 26 eine Hülse 27 starr mit dem Robotkörper verbunden. Über ein Getriebe 37 kann das Gehäuse 2 um die Achse S1 des Oberarmes 3 gedreht werden. Im Oberarm 3 liegen auf der Schwerachse S1 drei Drehachsen 1, 25, 32, die als Anlenkpunkte für zwei Parallelogramme dienen. Das erste Parallelogramm wird aus den Gliedern S1 (bestehend aus den Teilen 2 und 31) und 23 mit den Drehachsen 1, 19, 28, 25 gebildet. Bei der dargestellten Anwinkelung des Armes 18 bewegt das Glied 23 in Drehpunkt 28 ein Glied 24 eines weiteren Parallelogrammsystems. Dessen Drehachsen 25 und 32 liegen in Schwerachse auf einem Halter 31, von denen die Glieder 24 und 30 ausgehen und in den Drehachsen 6 und 8 durch einen Hebel 14 verbunden sind. Achsparallelversetzt zu dem Hebel 14 sind zwei weitere Hebel 13 angeordnet, die auf den Gliedern 24 bzw. 30 je eigene Drehachsen 7 bzw. 29 haben. In der Zeichnung ist nur ein Hebel 13 zu sehen; jedoch zeigt die Darstellung in Fig. 2, daß dies zwei zum Hebel 14 parallelliegende Hebel 13 sind. Die die Drehachse 8 bzw. 29 übertragenden Enden der Hebel 13 und 14 sind in den Drehpunkten 15 und 16 mit einem weiteren Hebel 12 verbunden. Dieser Hebel 12 weist eine Längsnut 11 aus, in dem mit Schraube 10 ein Gegengewicht 9 fixiert werden kann.

In Fig. 2 ist etwa entlang der Schnittlinie II-II (Fig. 1) ein Schnitt durch das Gehäuse 2 und das Glied 24 des Parallelogrammes dargestellt. Jedoch ist in Fig. 2 nicht die verschwenkte Situation des Gegengewichtes 9 und des Unterarmes 18 und damit zwangsläufig des Parallelogrammes gezeigt, sondern ein Robot in Grundstellung, d. h. mit senkrecht nach unten ragendem Unterarm 18, senkrecht stehendem Gegengewicht 9 und Gliedern 13 bzw. 14 des Parallelogrammes in der obersten Position. In dem aus Gehäuse 2 und innenliegender Hülse 27 bestehenden Oberarm 3 liegt ein Parallelogramm-Hebelsystem. Die Schwerachse S1, dargestellt durch die sich kreuzenden Durchmesserpfeile, liegt in Armmitte. Der Halter 31 trägt Lager 34, in dem mit Glied 24 verbundene Drehachsen 25 gelagert sind. Am unteren Ende des Gliedes 24 ist eine weitere Drehachse 28 angeordnet, auf dem über Lager 35 das Glied 23 drehbeweglich und in nicht dargestellter Weise mit dem Unterarm 18 verbunden ist. Das obere Ende des Gliedes 24 ist mit drei Einschnitten versehen, in denen die Hebel 13 und 14 angeordnet sind. Diese sind über Drehachsen 6 bzw. 7 und Nadellager 33 drehbeweglich gegenüber dem Glied 24. Auf dem Gehäuse 2 ist ein Dämpfungskissen 36 angeordnet, damit das Gegengewicht 9 (Fig. 1) gegebenenfalls nicht auf das Gehäuse 2 schlagen kann.

Zur Verdeutlichung ist eine Schnittlinie I-I angegeben, die die Situation in Fig. 1 andeutet. Wenn der Unterarm 18 durch das nicht dargestellte Getriebe bewegt wird, wird diese Schwenkbewegung über die Glieder 23 und 24 auf das parallele Hebelsystem 13, 14 und von dort auf den Hebel 12 weitergeleitet, so daß das Gegengewicht 9 stets mit seiner Achslage S2 den Schwerpunkt S des Roboters schneidet. Dabei ist es gleichgültig, ob der Unterarm 18 vorwärts oder rückwärts bewegt wird, stets verbleibt das Gegengewicht auf der den Schwerpunkt S schneidenden Schwerachse 2. Dies geschieht genauso, wenn wie zuvor beschrieben, das Gehäuse 2 rotatorisch bewegt wird.

Damit ist sichergestellt, daß bei jeder Bewegungsfunktion des Roboters das Gegengewicht in einer Lage liegt, die es ermöglicht, das Eigengewicht des Unterarmes 18 zu kompensieren.

Zur Einstellung des Parallelogrammes kann Glied 23 mit einer spielausgleichenden Längsverstellung ausgerüstet sein. Dazu trägt Kupplung 20 ein Lager 21 in dem drehbeweglich eine Verschraubung 22 angeordnet ist.

Claims (5)

1. Robotergelenkarm für Master-Slave-Roboter mit

• - einem, um den Schwerpunkt S des Gesamtsystems gewichtsausgeglichenem Oberarm (3),
• - einem daran dreh- und schwenkbar angelenkten Unterarm (18),
• - einem Gewichtsausgleichsystem für den Unterarm (18)

mit einem, um den Schwerpunkt S des Gesamtsystems kugelsegmentartig bewegbaren Ausgleichgewicht (9), das über ein aus mehreren außerhalb des Schwerpunktes S liegenden Parallelogrammen gebildetes Getriebe mit dem Unterarm (18) gekoppelt ist.

2. Robotergelenkarm nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verstellbarkeit des Ausgleichgewichtes (9) am Gestänge (12).

3. Robotergelenkarm nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Parallelogrammgetriebe innerhalb des Gehäuses (2) des Oberarms (3) geführt wird.

4. Robotergelenkarm nach Anspruch 1, 2 und 3, gekennzeichnet durch ein Dämpfungskissen (36) auf dem Gehäuse (2).