DE4242575C2 - Gelenkmodul für einen Manipulator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gelenkmodul für einen Manipulator, welcher anstelle einer Bedienungs­ person verschiedene Arten von Operationen auszuführen vermag. Außerdem betrifft die Erfindung einen Manipulator, der aus einer gewissen Anzahl von Gelenk­ modulen der obengenannten Art aufgebaut ist.

Reparaturarbeiten an einem fernbetätigbaren Manipulator, der verschiedene Arten von Arbeiten anstelle einer menschlichen Bedienungsperson ausführt, werden mit Hilfe eines weiteren fernbetätigbaren Manipulators vorgenommen, wenn es sich um eine für den direkten Zugang ungeeignete Umgebung handelt, beispielsweise einen Kernreaktor, eine Raumstation oder der­ gleichen. Wenn unter den genannten Umständen ein Manipulator aus irgendeinem Grund nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet, muß man den Manipulator innerhalb kürzestmöglicher Zeit durch einfache Griffe reparieren. Um sicherzustellen, daß beschädigte oder gebrochene Bauteile eines Manipulators sich einfach durch neue Teile ersetzen lassen, wurden Versuche ge­ macht, die beschädigten oder gebrochenen Bauteile mit sog. Einmalzugriff von dem Manipulator abzunehmen und neue Bau­ teile anzubringen.

Bei Arbeiten, die in einer für den menschlichen Zugang unge­ eigneten Umgebung durch einen Manipulator vorgenommen werden sollen, gibt es Situationen, in denen Reparaturarbeiten nicht von einem einzigen Manipulator vorgenommen werden können, da eine Reihe von Arbeitsschritten vorgenommen werden muß. Speziell dann, wenn eine Vorrichtung oder eine Anlage mit ver­ schiedenen Arten von Bauteilen durch Handhaben eines einzigen Manipulators angemessen gewartet oder repariert werden soll, sind der Wirkungsbereich, die Anzahl der Freiheitsgrade und das von dem Manipulator tragbare Gewicht unterschiedlichen Beschränkungen unterworfen. In diesem Zusammenhang wurden seitens der Benutzer Forderungen erhoben, die vorstehend ge­ nannten Faktoren zu verbessern. Im Hinblick auf den Umstand, daß der Manipulator in dem engen Raum eines Kernreaktors be­ tätigt wird, während er gleichzeitig einer hohen Dosis radio­ aktiver Strahlung ausgesetzt ist, und weiterhin im Hinblick darauf, daß das Hinaufschießen einer schweren Raumstation in den Raum äußerst kostspielig ist, verbietet es sich, mehrere Manipulatoren in das Arbeitsgebiet des Kernreaktors bzw. der Raumstation zu bringen.

Es ist daher wünschenswert, einen Manipulator zur Verfügung zu haben, der das freie Ändern spezieller Faktoren gestattet, beispielsweise das Ändern der Anzahl von Freiheitsgraden, der Länge der einzelnen Armglieder oder dergleichen. Außerdem sollen Reparaturarbeiten in einfacher Weise so durchgeführt werden können, daß man beschädigte oder gebrochene Gelenkabschnitte durch neue Abschnitte austauscht, wenn der Manipulator nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet. Um diesen Anforderungen zu genügen, wurden zahlreiche Vorschäge für Mechanismen und Kon­ struktionen gemacht, mit deren Hilfe die Gelenkabschnitte verbunden und gelöst werden können.

Da sich allerdings bei herkömmlichen Manipulatoren ein Kabel­ baum in dem Hauptkörper des Manipulators erstreckt, um den jeweiligen Wellen elektrische Leistung zuführen zu können und Signale über die Wellen zu übertragen, ist es nicht einfach, beschädigte oder gebrochene Bauelemente durch neue Teile zu ersetzen und die Art und Weise zur Festlegung der Anzahl von Freiheitsgraden zu ändern. Allgemein gesprochen, ist ein ge­ lenkiger Manipulator in Form eines freikragenden Balkens aus­ gebildet. Aus diesem Grund vergrößert sich ein für jeden Gelenk­ abschnitt in dem Manipulator erforderliches Drehmoment, wenn die Lage mehr und mehr zu dem hinteren Ende jedes Arm­ glieds hin verlagert wird, so daß am Basisende des Armglieds ein großer Drehmomentwert erforderlich ist. Bei einem Manipu­ lator, der eine beliebige Position und Stellung mit sechs oder mehr Freiheitsgraden einnehmen kann, unterscheidet sich der Freiheitsgrad des Armglieds stark vom Freiheitsgrad eines Handgelenkabschnitts, welcher die Stellung eines Endwirkteils am vordersten Ende des Armglieds bezüglich eines geforderten Drehmomentwerts bestimmt.

Bei einem Manipulator mit dem oben erläuterten Aufbau vergrößert sich die Stärke eines Lastmoments, wenn ein Gelenkabschnitt in der Nähe des Basisendes des Armglieds angeordnet wird. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Leistungs­ fähigkeit eines Antriebssystems für den Gelenkabschnitt selektiv in Abhängigkeit von der Lage des Gelenkabschnitts festzulegen. Wenn also jeder Gelenkabschnitt in Form eines Moduls ausgebildet wird, läßt sich ein Ändern des gegenwärtigen Freiheitsgrads zu einem anderen Wert nur innerhalb sehr enger Grenzen erreichen.

Aus M. E. Rosheim "Robot Wrist Actuators", John Wiley & Sons, New York, 1989, S. 53 bis 58, ist ein Manipulator bekannt, dessen Gelenkabschnitte aus zwei Gehäuseteilen bestehen, die relativ zueinander verdrehbar sind. In den Gehäuseteilen sind Antriebs­ motoren zum Verdrehen der Winkellage der Gelenkabschnitte sowie Untersetzungsgetriebe und Positionsdetektoren angeordnet. Der Manipulator kann nach dem Master/Slave-Prinzip gesteuert werden, wobei der Roboter in Abhängigkeit von den Bewegungen eines Menschen gesteuert und somit die Bewegungen des steuernden Menschen ausführt.

In: Robotersysteme 2 (1986), S. 105 bis 109 ist der Aufbau von Industrierobotern mit modularen Antriebselementen beschrieben, bei dem (siehe Bild 6) Achsverbindungselemente vorgesehen sind, die über Adapter mit Antriebselementen gekoppelt sind. Zur Arbeits­ bereichsoptimierung können unterschiedliche Adapterformen vorgesehen sein. Die Regel­ einrichtung zur Steuerung der Bewegungsmodule steuert die einzelnen Komponenten in Abhängigkeit von eingangsseitig vorgegebenen Sollwerten und von internen Zählern, die als Richtungsdiskriminatoren dienen.

Aus der DE 32 04 180 A1 ist ein Industrieroboter bekannt, der mit einem Schultergelenk­ träger ausgestattet ist, an dem über dreiachsige Schultergelenke zwei Gelenkarme um eine gemeinsame, horizontale Achse schwenkbar angelenkt sind. Die Gelenkarme weisen jeweils Ellenbogengelenke und Handgelenke auf, die als hydraulische Schwenkantriebe ausgebildet sind. Über die Einzelheiten der jeweiligen Kopplung der Gelenkabschnitte mit den benachbarten Teilen sind dieser Druckschrift keine näheren Einzelheiten entnehmbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gelenkmodul zu schaffen, das einen flexiblen Aufbau eines Manipulators ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Gelenkmodul, bei dem an den Koppelflächen Verriegelungs­ mechanismen und elektrische Verbinder vorgesehen sind, sind somit die aneinander zu koppelnden Teile in unterschiedlicher Ausrichtung verriegelbar, wobei einer der elektrischen Verbinder relativ zu dem zugehörigen Gehäuseteil drehbar ist. Dies ermöglicht eine Verdrehbarkeit des elektrischen Verbinders in die jeweils gewünschte Ausrichtungs­ lage, so daß nicht nur die mechanische, sondern auch die elektrische Verbindung in der jeweils gewünschten Ausrichtung herstellbar ist.

Weiterhin wird mit der Erfindung ein mehrachsiger Manipulator geschaffen, der die Merkmale des Patentanspruchs 3 aufweist. Bei diesem mehrachsigen Manipulator lassen sich die koaxial angeordneten Gelenkmodule als Haupt- und Hilfsgelenkmodul antreiben, so daß sich ein synchroner Antrieb ohne Gefahr einer unerwünschten Positionsabweichung, wie sie bei separat angesteuerten Gelenkmodulen auftreten könnte, erreichen läßt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vertikal-Schnittansicht eines Gelenkmoduls nach einer Ausführungsform der Erfindung, wobei speziell der Aufbau wesentlicher Bauelemente des Gelenkmoduls dargestellt ist;

Fig. 2a eine Teil-Draufsicht auf das Gelenkmodul, wobei speziell ein Verriegelungsmechanismus für das Gelenkmodul dargestellt ist;

Fig. 2b eine Draufsicht auf das Gelenkmodul mit besonderer Darstellung eines Verbinderabschnitts des Gelenkmoduls;

Fig. 3 einen Verdrahtungsplan, der den Aufbau eines Kabelbaums in dem Gelenkmodul veranschaulicht;

Fig. 4 eine Vorderansicht eines Teils eines fernbetätigbaren Manipulators, der durch mehrere Gelenkmodule jeweils der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art aufgebaut ist, wobei besonders der Aufbau eines fingerförmigen Vorder­ abschnitts des fernbetätigbaren Manipulators her­ vorgehoben ist;

Fig. 5a eine Vorderansicht des Gesamtaufbaus des Manipulators;

Fig. 5b eine Draufsicht auf den fernbetätigbaren Manipulator;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des fernbetätigbaren Manipulators mit besonderer Darstellung von dessen sechs Freiheitsgraden; und

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Steuereinheit für den fernbe­ tätigbaren Manipulator.

Fig. 1 zeigt eine Vertikal-Schnittansicht eines Gelenkmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2a zeigt eine Teil-Draufsicht auf einen Verriegelungsmechanismus für das Gelenkmodul nach Fig. 1, und Fig. 2b zeigt eine Draufsicht auf einen Verbinderabschnitt des Gelenkmoduls nach Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist ein Antriebsmotor 2 zum Antreiben eines Ge­ lenkmoduls 1 fest an einem ersten, ortsfesten Gehäuseteil 3 gelagert. Eine Bremse 2A ist in dem Antriebsmotor 2 eingebaut, und auf einer Ausgangswelle 2B des Antriebsmotors 2 befindet sich ein Kegelrad 5B, welches mit einem Kegelrad 5A kämmt, welches fest auf einer Eingangswelle 4A einer harmonischen Dreh­ zahluntersetzungseinheit 4 montiert ist. Die Eingangswelle 4A der Untersetzungseinheit 4 ist mittels eines Lagers 7 auf einer hohlen Achse 6 (Hohlwelle) gelagert, die fest am orts­ festen Gehäuseteil 3 angebracht ist. Eine Eingangswelle 8A eines Absolutwert-Positionsdetektors 8 ist am vordersten Ende der hohlen Achse 6 angebracht.

Eine in einem Winkel von 45° bezüglich einer Drehachse X des Gelenkmoduls 1 geneigte erste Koppelfläche (Gelenkfläche) 3A ist an dem oberen Ende des ersten Gehäuseteils 3 ausgebildet, während sich im Mittelteil der ersten Koppelfläche 3A ein steckerseitiger Verbinder 9 befindet. Das obere Ende eines Kabelbaums 10 ist an den Steckverbinder 9 angeschlossen. Der Kabelbaum 10 verläuft durch die hohle Achse 6 und erreicht ein Kabelgehäuse 12, welches derart an einem zweiten beweglichen Gehäuseteil 11 angebracht ist, daß der untere Endabschnitt des Kabelbaums 10 in dem Kabel­ gehäuse 12 aufgenommen ist, wobei es sich spiralförmig in das Kabelgehäuse 12 erstreckt.

Eine in einem Winkel von 45° bezüglich der Drehachse X des Gelenkmoduls 1 geneigte zweite Koppelfläche 11A ist an dem unteren Ende des zweiten beweglichen Gehäuseteils 11 ausgebildet, und im Mittel­ teil der zweiten Koppelfläche 11A ist über ein Lager 13 ein buchsen­ seitiger Steckverbinder 16 drehbar gelagert. Dem buchsenseitigen Verbinder 16 ist ein Schnellstoppmechanismus zugeordnet, der aus Federn 14 und Kugeln 15 besteht, wobei letztere von den Federn 14 vorgespannt werden. Das untere Ende des Kabel­ baums 10 erstreckt sich von dem Kabelgehäuse 12 aus und ist mit dem buchsenseitigen Steckverbinder 16 verbunden.

Symmetrisch bezüglich der Mitte des buchsenseitigen Steckver­ binders 16 sind mehrere konische Lokalisierstifte 17 angeord­ net, die aufrecht auf der zweiten Koppelfläche 11A stehen und mit dieser einen rechten Winkel bilden. Ein Verriegelungsmechanismus 18 arbeitet mit den Lokalisierstiften 17 zusammen und ist um die zweite Koppelfläche 11A herum angeordnet. Andererseits ist ein Verriegelungsmechanismus 18′ an der ersten Koppelfläche 3A angeordnet und entspricht dem Verriegelungsmechanismus 18. Beide Verriegelungsmechanismen 18 und 18′ sind in der im folgenden beschriebenen Weise ausgebildet.

Wie speziell in Fig. 2 gezeigt ist, enthält der Verriegelungs­ mechanismus 18 mehrere Vorsprünge 20, die in gleichmäßigen Abständen über den Umfang der zweiten Koppelfläche 11A verteilt sind und konische Flächen aufweisen, die sich nicht nur in radialer, sondern auch in Umfangsrichtung erstrecken. Ein Ring 23 besitzt nicht nur mehrere V-förmige Nuten 21, die es ermöglichen, daß die Vorsprünge 20 in enge Berührung mit den V-förmigen Nuten 21 gelangen, sondern besitzt auch mehrere Ausschnitte 22, die in derselben gleichmäßig beabstandeten Lagebeziehung wie die Vorsprünge 20 ausgebildet sind, so daß die Vorsprünge 20 in die Ausschnitte 22 passen.

Andererseits ist der Verriegelungsmechanismus 18′ aus mehreren Vorsprüngen 19 gebildet, die auf der ersten Koppelfläche 3A der­ art angeordnet sind, daß sie in korrekter Ausrichtung mit den Vorsprüngen 20 stehen, wobei sie die gleiche Form und die gleichen Abmessungen haben wie die jeweiligen Ausschnitte 22.

Zwischen dem zweiten Gehäuseteil 11 und dem ersten Gehäuse­ teil 3 befindet sich ein Kreuz-Wälzlager 3B. Außerdem sind aus der Koppelfläche 3A des ersten Gehäuseteils 3 zur Auf­ nahme der Lokalisierstifte 17 Führungslöcher 17A ausgebildet.

Fig. 3 zeigt einen Verdrahtungsplan, aus dem der Aufbau des Kabelbaums 10 in dem Gelenkmodul hervorgeht. In der Zeichnung bezeichnen Bezugszeichen P₁ bis P₅ mehradrige Stromversorgungs­ kabel zum Zuführen elektrischer Leistung zu dem An­ triebsmotor 2, um das Gelenkmodul 1 anzutreiben. Die Bezugszeichen S₁ bis S₅ bezeichnen mehradrige Signalkabel, die an dem Absolutwert-Stellungsgeber 8 angeschlossen sind, und das Be­ zugszeichen B bezeichnet ein doppeladriges Stromversorgungs­ kabel zum Einspeisen von elektrischer Leistung in die in dem Antriebsmotor 2 befindlichen Bremse 2A. Der Kabelbaum 10 mit den erwähnten, zusammengebundenen Kabeln wird derart einge­ setzt, daß die entsprechenden Leitungsadern an die Anschlüsse von steckerseitigen Verbindern 9 _I bis 9 _V und buchsenseitigen Verbindern 16 _I bis 16 _V, die sich an den Koppelflächen 3A_I bis 3A_V und 11A_I bis 11A_V an den entgegengesetzten Enden der jeweiligen Gelenkmodule 1 _I bis 1 _V befinden, angeschlossen sind. Die jeweiligen Kabel sind lediglich in einem Gelenkmodul 1 _n verzweigt, so daß sie an einen Antriebsmotor 2, einen Absolutwert-Positionsdetektor 8 und eine Bremse 2A innerhalb des Gelenkmoduls 1 _n angeschlossen sind.

Fig. 4 zeigt eine Vorderansicht eines fingerförmigen Vorder­ teils eines fernbetätigbaren Manipulators gemäß einer Ausführungs­ form der Erfindung, bei dem mehrere Gelenkmodule mit dem oben beschriebenen Aufbau zur Bildung des Manipulators verwendet sind. Fig. 5a zeigt eine Vorderansicht des Manipulators, wobei speziell der Gesamtaufbau des Manipulators darge­ stellt ist. Fig. 5b zeigt eine Draufsicht auf den Manipulator. Nach Fig. 4 ist ein Gelenkmodul 1 _VII mit dem vordersten Ende eines Armglieds 24 so verbunden, daß es sich bezüglich dieses koaxial zu drehen vermag, und anschließend ist ein Gelenkmodul 1 _VIII am vordersten Ende des Gelenkmoduls 1 _VII derart an­ gebracht, daß es sich um eine Achse zu drehen vermag, die sich rechtwinklig zu dem Armglied 24 erstreckt. Außerdem ist ein mit einem Handteil 25 versehenes Gelenkmodul 1 _IX mit dem vordersten Ende des Gelenkmoduls 1 _VIII verbunden, so daß es sich um eine Achse drehen kann, die sich rechtwinklig bezüglich des Gelenkmoduls 1 _VIII erstreckt.

Wie in Fig. 5a gezeigt ist, sind Gelenkmodule 1 _I und 1 _II an die vorderen Enden eines Paares von Basisplattformen 26a und 26b angekoppelt, die fest an einem (nicht gezeigten) Träger angebracht sind, so daß ihre Achsen miteinander ausgerichtet sind und auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Ein Armglied 27 ist fest mit den Koppelflächen beider Gelenkmodule 1 _I und 1 _II an der Ausgangsseite von letzteren befestigt. Wie in Fig. 5B gezeigt ist, sind Gelenkmodule 1 _III und 1 _IV mit dem Arm­ glied 27 von beiden Seiten her verbunden, so daß ihre Achsen gegenüber den Achsen der Gelenkmodule 1 _I und 1 _II versetzt sind und sich dabei auf einer gemeinsamen Geraden unter einem rechten Winkel gegenüber den Achsen der vorgenannten Module erstrecken. An die Gelenkmodule 1 _III und 1 _IV sind an deren Ausgangsseite Armglieder 28A und 28B derart angeschlossen, daß sie sich unter rechtem Winkel bezüglich der Achsen der Gelenkmodule 1 _III und 1 _IV und parallel zueinander erstrecken.

Weiterhin sind an die vordersten Enden der Arme 28A und 28B funktionsmäßig Gelenkmodule 1 _V und 1 _VI derart angeschlossen, daß sie sich parallel zu den Gelenkmodulen 1 _III und 1 _VI er­ strecken, wobei sie letzteren gegenüberliegen und ihre Achsen auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Ein aus dem Armglied 24, den Gelenkmodulen 1 _VII, 1 _VIII und 1 _XI und der Handhabe 25 be­ stehender Arm nach Fig. 4 ist an den Ausgangsseiten der Gelenkmodule 1 _V und 1 _VI mit dem obersten Ende des Armglieds 24 angekoppelt, was den gewünschten fernbetätig­ baren Manipulator vervollständigt.

Fig. 6 zeigt in schematischer perspektivischer Ansicht die Freiheitsgrade des oben erläuterten erfindungsgemäßen Manipulators und Fig. 7 zeigt anhand eines Blockdiagramms den Aufbau einer Steuereinheit für den Manipulator.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des fernbetätigbaren Mani­ pulators gemäß der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 erläutert werden.

Gemäß Fig. 6 besitzt der in oben beschriebener Weise aufge­ baute fernbetätigbare Manipulator folgende sechs Freiheits­ grade:

• 1) Drehung des Armglieds 27 um eine senkrechte Achse, die durch die Gelenkmodule 1 _I und 1 _II definiert wird;
• 2) Drehung der Armglieder 28A und 28B um Achsen, die durch die Gelenkmodule 1 _III und 1 _IV definiert werden und sich rechtwinklig zu der oben erwähnten senkrechten Achse erstrecken, d. h., horizontale Achsen sind.
• 3) Drehung des Armglieds 24 um eine horizontale Achse, die durch die Gelenkmodule 1 _V und 1 _VI definiert wird;
• 4) Schwenkbewegung des Gelenkmoduls 1 _VIII in einer horizontalen Ebene in Verbindung mit dem Gelenkmodul 1 _VII;
• 5) Drehung des Gelenkmoduls 1 _IX um eine Achse rechtwinklig zu dem Armglied 24 im Zusammenwirken mit dem Gelenkmodul 1 _VIII;
• 6) Drehung der Handhabe 25 in Verbindung mit dem Gelenkmodul 1 _IX.

Auf Grund der oben erwähnten sechs Freiheitsgrade läßt sich die Handhabe 25 in die Zielposition bringen, die sich inner­ halb des zulässigen Wirkungsbereichs der jeweiligen, den Manipulator bildenden Bauelemente befindet, so daß ein in dieser Position befindliches Element, ein Teil oder dergleichen frei handhabbar ist.

Nach Fig. 7 enthält die Steuereinheit 30 mehrere Regelab­ schnitte S_I bis S_IX, einen Rechen-Steuer-Abschnitt C zum Be­ stimmen der Geschwindigkeit jedes Gelenkmoduls 1 in Abhängigkeit einer seitens einer Bedienungsperson vorgenommenen Ein­ gabe, zur Analyse eines Betriebsprogramms, zur Koordinatenum­ wandlung/Berechnung oder Ausgabe von Positionserfassungssignalen POS_I bis POS_IX, geliefert von dem Gelenkmodul 1, und darüberhinaus zur sequentiellen Ausgabe von Geschwindigkeits­ befehlen Vref_I bis Vref_IX an die Regelabschnitte S_I bis S_IX, eine Mensch-Maschine-Schnittstelle MMI mit einem Joystick J und einer Tastatur K für die Eingabe eines Betätigungssignals COM, welches die Bedienungsperson in den Rechen-Steuer-Ab­ schnitt C eingibt, und einen Speicherabschnitt M, in welchem ein Betriebsprogramm und andere Daten gespeichert sind.

Sämtliche Koordinatenumwandlungs/Rechenprogramme D1 bis DN, die sich auf die Festlegung eines durch Datenaustausch er­ zielbaren Freiheitsgrades beziehen, sind in dem Speicherab­ schnitt M abgespeichert. Der Rechen-Steuerabschnitt C enthält eine Prozedur zum Berechnen von Geschwindigkeitsbefehlen Vref_I bis Vref_VI für jedes Gelenkmodul 1, eine Prozedur zum Berechnen der Bewegung jedes Gelenkmoduls 1 auf der Grundlage von Positionsinformation, die von einem Programm als eine un­ abhängige Achse spezifiziert wird, oder einer Zielposition, die seitens der Bedienungsperson abhängig von der Gelenkmodul- Positionserfassungssignalen POS_I bis POS_IX vorgegeben wird, und eine Funktion zum Ändern der gegenwärtigen Steuer­ schleife in eine andere, um einem Positionserfassungssignal POS_I eines speziellen Gelenkmoduls 1 _I zu folgen, d. h. eine Funktion zum Ausgeben eines Geschwindigkeitsbefehls Vref_II eines speziellen Gelenkmoduls 1 _II an einen Regelabschnitt S_II des Gelenkmoduls 1 _II als einen Wert, der im Verhältnis steht zu einer Differenz zwischen einem Positionserfassungssignal POS_II des Gelenkmoduls 1 _II und dem Positionserfassungssignal POS_I des Gelenkmoduls 1 _I.

Im folgenden werden Funktionen und vorteilhafte Wirkungen des gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung aufgebauten fern­ betätigbaren Manipulators erläutert.

Wenn der Antriebsmotor 2 in dem Gelenkmodul 1 angetrieben wird, dreht sich das bewegliche Gehäuseteil 11 über die Kegelräder 5A und 5B und die Drehzahluntersetzungseinheit 4. Zu dieser Zeit wird der Drehwinkel des beweglichen Gehäuseteils 11 durch den Absolutwert-Positionsdetektor 8, der an der hohlen Achse 6 befestigt ist, erfaßt. Der mit dem steckerseitigen Steck­ verbinder 9 auf der Koppelfläche 3A des ersten Gehäuseteils 3 verbundene Kabelbaum ermöglicht eine Drehung des beweglichen Gehäuseteils 11 durch Ändern seines Windungsdurchmessers innerhalb des Kabelgehäuses 12, in welchem er spiralförmig aufge­ nommen ist. Es wird hier angenommen, daß der Kabelbaum 10 eine gewünschte Anzahl von Stromversorgungskabelleitern und eine gewünschte Anzahl von Signalleitern enthält, entsprechend einer gewünschten Anzahl von Gelenkmodulen 1, die einen fernbetätigbaren Manipulator mit einer gewünschten Anzahl von Freiheitsgraden bilden. Beispielsweise enthält der in Fig. 6 gezeigte fernbetätigte Manipulator mit sechs Freiheitsgraden neun Gelenkmodule 1 _I bis 1 _IX, so daß der Kabelbaum 10 eine Anzahl von Leitersätzen aufweist, deren Anzahl mit der Anzahl von Gelenkmodulen übereinstimmt.

Das Verbinden der Gelenkmodulen 1 erfolgt sukzessive, begin­ nend an dem Basisende und in Übereinstimmung mit der Festlegung der gewünschten Freiheitsgrade. In der Zone mit einem Freiheitsgrad bezüglich koaxialer Drehung werden die Orientierung der Drehachse des Gelenkmoduls 1 und die Orientierung der Koppelfläche 3A mit einem Neigungswinkel von 45° derart bestimmt, daß die Achse des Gelenkmoduls 1 in der vorausge­ henden Stufen oder dem Armglied 24 geradlinig ausgerichtet mit der Drehachse ist, und anschließend werden die Lokalisierstifte 17 in Eingriff mit den Führungslöchern 17A gebracht, so daß beide Gelenkmodule miteinander über die Verriegelungs­ mechanismen 18 und 18′ verbunden sind. Genauer gesagt: eine Phase jedes Ausschnitts 22 an dem Ring 23, der von den Vorsprüngen 20 entlang dem Umfang der Koppelfläche 11A des zweiten beweglichen Gehäuseteils 11 des Gelenkmoduls 1 der vorhergehenden Stufe getragen wird, wird in der erforderlichen Weise so ausgerichtet, daß die Vorsprünge 19 am Außenumfang der Gelenkfläche 3A des ersten Gehäuseteils 3 mit den Ausschnitten 22 am Ring 23 in Eingriff treten können, und anschließend wird der Ring 23 um eine viertel Drehung verdreht, so daß die Vorsprünge 20 an dem Gelenkmodul der vorausgehenden Stufe in Druckkontakt mit den Vorsprüngen 19 an dem Gelenkmodul der anschließenden Stufe treten können, und zwar mit Hilfe der V-förmigen Nuten 21 am Innenumfang des Rings 23, wodurch beide Gelenkmodule miteinander fixiert werden. Zu dieser Zeit wird der stecker­ seitige Verbinder 9 des Gelenkmoduls in der nachfolgenden Stufe in den buchsenseitigen Verbinder 16 des Gelenkmoduls in der vorausgehenden Stufe eingesetzt, wodurch die notwendige elektrische Verbindung zwischen beiden Gelenkmodulen geschaffen wird.

Um in richtiger Weise einen Freiheitsgrad bezüglich der Drehung um die sich rechtwinklig zu dem Gelenkmodul 1 der voraus­ gehenden Stufe oder dem Armglied 24 erstreckende Achse festzulegen, wird eine Art Lehre in den buchsenseitigen Ver­ binder 16 eingesetzt, der von einem Lager 13 auf der Koppel­ fläche 11A des beweglichen Gehäuseteils 11 des Gehäusemoduls 1 der vorausgehenden Stufe 1 oder dem Armglied 24 gelagert ist, und die Lehre wird anschließend um einen Winkel von 180° gedreht. Zu dieser Zeit wird der buchsenseitige Verbinder 16 durch die von den Federn 14 vorgespannten Kugeln 15 in einer Orientierung gehalten, die nach Beendigung der Drehung eingenommen wird. Auf diese Weise werden sämtliche benachbarten Koppel­ flächen derart miteinander verbunden, daß die Drehachsen beider Gelenkmodule einander unter rechtem Winkel schneiden, und anschließend werden beide Gelenkmodule mit Hilfe des Ver­ riegelungsmechanismus 18 in der oben erwähnten Weise miteinander fixiert. Wenn das Armglied 24 mit dem gleichen Verbinder- Lagermechanismus ausgestattet ist, wie er oben erläutert wurde, lassen sich benachbarte Gelenkmodule mit dem Armglied in genau derselben Weise wie zwei benachbarte Gelenkmodule 1 verbinden.

In der erläuterten Weise läßt sich der in Fig. 5a und 5b und 6 dargestellte gelenkige Manipulator aufbauen, indem man sukzessive ein Gelenkmodul 1 und ein Armglied 24 miteinander verbindet und diese Teile in geeigneter Weise derart aus­ wählt, daß ihre Achsen koaxial verlaufen oder sie einen Frei­ heitsgrad haben, der es ihnen gestattet, sich rechtwinklig zu dem anderen Teil zu erstrecken. Da miteinander über Leitungs­ sätze des Kabelbaums 10 in dem Manipulator zu verbindende Gelenk­ module ungeachtet der Reihenfolge ihrer Verbindung unge­ ändert bleiben, und darüber hinaus der Regelabschnitt S in der Steuereinheit 20 jedem der Gelenkmodule in einer Eins-zu- Eins-Beziehung entspricht, besteht nicht nur keine Notwendig­ keit zum Ändern eines Freiheitsgrads auf einen anderen Wert, sondern auch nicht zum Ändern einer für jedes Gelenkmodul speziellen Servo- bzw. Regelkonstanten, wenn die derzeitige Kombination von Gelenkmodulen mit Armgliedern in eine andere Kombination geändert wird.

Wie in den Fig. 5a und 5b gezeigt ist, läßt sich im Hinblick auf das am Basisende jedes Armglieds gelegene Gelenkmodul während der Aufnahme eines hohen Lastmoments der gesamte Arm bei weitem Spielraum für ein hohes Lastmoment dadurch antreiben, daß man Gelenkmodule parallel zueinander anordnet und dann deren Antriebsmotoren synchron antreibt. Dort, wo ein geringes Lastmoment aufgenommen wird, beispielsweise in einer Handgelenk-Welle, läßt sich die gewünschte Bewegung dadurch erreichen, daß man lediglich ein Gelenkmodul in dem vorausge­ henden Bereich anordnet. Da entsprechend der Stärke des Last­ moments ein oder zwei Gelenkmodule eingesetzt werden, läßt sich, wie oben erläutert wurde, ein gelenkiger Manipulator unter Verwendung von nur einer einzigen Art von Gelenkmodulen aufbauen.

Wenn das vorliegende Koordinatenumwandlungsprogramm D bei Erhalt einer Eingabe von der Schnittstelle "Mensch/Maschine" MMI in der Steuereinheit 30 geändert wird, was einem Aus­ tausch des derzeitigen Freiheitsgrads durch einen anderen entspricht, läßt sich der Manipulator rasch in den Be­ triebszustand bringen. Wenn die Gelenkmodule 1 _I·1 _II, 1 _III·1 _IV und 1 _V·1 _VI am Basisende jedes Armglieds koaxial zueinander angeordnet sind, so ändert die Steuereinheit 30 den vorhandenen Aufbau jeder Regelschleife bei Erhalt einer Eingangsgröße von der Schnittstelle MMI in einen anderen Aufbau, so daß eines der Gelenkmodule 1 _I und 1 _II der in koaxialer Anordnung befindlichen Module, beispielsweise das Gelenk­ modul 1 _I als Haupt-Gelenkmodul dient, während das andere Modul, also beim vorliegenden Beispiel das Gelenkmodul 1 _II, als Hilfs-Gelenkmodul arbeitet. Bei diesem Aufbau wird der Geschwindigkeitsbefehl Vref₁, der auf der Basis der von dem Programm eingestellten Positionsinformation oder der von der Bedienungsperson eingegebenen Zielinformation ansprechend auf das von dem Gelenkmodul ausgegebene Positionserfassungs­ signal POS₁ errechnet wird, so, wie es ist, zu dem Regelab­ schnitt S_I, der dem Gelenkmodul 1 _I entspricht, ausgegeben. Andererseits wird der Geschwindigkeitsbefehl Vref_II proportional zu einem Wert an den dem als Hilfsmodul dienenden Gelenk­ modul 1 _II entsprechenden Regelabschnitt S_II ausgegeben, wobei der Wert erhalten wird, indem man ein Positionserfassungs­ signal POS_II des Gelenkmoduls 1 _II von dem Positionserfassungssignal POS_I des Gelenkmoduls 1 _I subtrahiert. Auf diese Weise besitzen die Gelenkmodule 1 _I und 1 _II sowie andere Module jeweils einen gemeinsamen Freiheitsgrad und können ange­ trieben werden, indem sie korrekt mit einer kleinen Phasen­ differenz zwischen ihnen abgestimmt werden.

Bei dem fernbetätigten Manipulator gemäß der erläuterten Aus­ führungsform der Erfindung lassen sich folgende vorteilhafte Wirkungen erzielen:

1) Es werden Koppelflächen eines Gelenkmoduls mit einem An­ triebsmotor und einem Positionsdetektor in Form von geneigten Flächen mit einem Neigungswinkel von 45° bezüglich einer Drehachse des Gelenkmoduls gefertigt, und diese Module lassen sich über Verriegelungsmechanismen miteinander verbinden und voneinander lösen. Wenn also eines der Gelenkmodule aus irgend­ einem Grund während der Fernbetätigung nicht ordnungsgemäß arbeitet, läßt es sich einfach durch ein anderes Modul austauschen. Weiterhin läßt sich der derzeitige Freiheitsgrad zu einem anderen Wert bei Wunsch ändern, indem man die derzeitige Anordnung von Gelenkmodulen und Armgliedern ändert.

2) Jedes Gelenkmodul enthält einen Kabelbaum, der aus mehreren Leitersätzen mit Signalübertragungsleitern und Stromversorgungs­ leitern besteht, deren Anzahl jeweils mit der Anzahl von Ge­ lenkmodulen übereinstimmt, die an das betrachtete Modul anzu­ schließen sind. Damit läßt sich ein Manipulator in einfacher Weise dadurch betriebsbereit machen, daß man das gegebene Ge­ lenkmodul mit einem anderen Gelenkmodul oder Armglied verbindet. Da der Kabelbaum in dem Gelenkmodul mehrere Übertragungs­ kanäle aufweist, die einer Eins-zu-Eins-Entsprechung be­ züglich der anderen Gelenkmodule genügen, wird beispiels­ weise ein Regelabschnitt in der Steuereinheit stets richtig den Übertragungskanälen zugeordnet, ohne daß die Notwendig­ keit besteht, eine Regelkonstante oder dergleichen einzustellen.

3) Es sind mehrere Gelenkmodule an einem Basisende jedes Arm­ glieds parallel angeordnet, um starke Lastmomente bewältigen zu können. Damit läßt sich unter Verwendung lediglich einer Art von Gelenkmodulen ein gelenkiger Manipulator aufbauen, der nicht nur Gelenke mit jeweils einem darauf einwirkenden großen Lastmoment aufweist, sondern außerdem auch Gelenke, auf die jeweils nur ein kleines Lastmoment ausgeübt wird. Sind zwei Gelenkmodule in koaxialer Lage angeordnet, so dient eines von ihnen als Hauptgelenkmodul und das andere als Hilfsgelenkmodul. In diesem Fall wird eine Regelschleife inner­ halb der Steuereinheit derart abgeändert, daß das Hilfsge­ lenkmodul dem Hauptgelenkmodul folgt. Damit lassen sich beide Gelenkmodule synchron mit einer geringen Phasendifferenz zwischen ihnen antreiben.

Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel ist der Positions­ detektor als Detektor für eine Einzelumdrehung ausgebildet und befindet sich in dem zweiten Gehäuseteil, um in operativer Zuordnung zur hohlen Achse, die zusammen mit dem ersten Gehäusetal drehbar ist, einen Drehwinkel zu erfassen. Alternativ kann auch anstelle des eine Umdrehung erfassenden Positionsde­ tektors ein Positionsdetektor für mehrere Umdrehungen einge­ setzt werden. In diesem Fall befindet sich ein solcher, mehrere Umdrehungen vollziehender Positionsdetektor in dem ersten Gehäuseteil, um die Drehung der Eingangswelle einer Drehzahluntersetzungseinheit zu erfassen.

Claims (4)

1. Gelenkmodul für einen Manipulator, mit einem ersten Gehäuseteil (3) mit einem daran befestigten Antriebsmotor (2), einem drehbar an dem ersten Gehäuseteil gelagerten zweiten Gehäuseteil (11), welches durch den Antriebsmotor drehend antreibbar ist, und einem Positionsdetektor (8) zum Erfassen des Drehwinkels des zweiten Gehäuse­ teils (11), wobei das erste Gehäuseteil (3) und das zweite Gehäuseteil (11) um 45° gegen­ über ihrer Drehachse (X) geneigte Koppelflächen (3A, 11A) aufweisen, mit denen weitere Gelenkmodule oder Armglieder koppelbar sind, und an den Koppelflächen (3A, 11A) Verriegelungsmechanismen (18′, 18) und elektrische Verbinder (9, 16) vorgesehen sind, wobei die aneinander zu koppelnden Gehäuseteile in unterschiedlicher Ausrichtung ver­ riegelbar sind und einer der elektrischen Verbinder relativ zu dem zugehörigen Gehäuseteil drehbar ist.

2. Gelenkmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mehrere Leitersätze aufweisender Kabelbaum (10) vorhanden ist, wobei die Anzahl der Leitersätze mit der Anzahl von Gelenkmodulen, die für den Aufbau eines einzelnen Manipulators erforderlich sind, übereinstimmt.

3. Mehrachsiger Manipulator, bestehend aus Gelenkmodulen, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, und Armgliedern, mit mindestens einer Manipulatorachse, die aus zwei koaxial angeordneten, synchron angetriebenen und zusammenwirkenden Gelenk­ modulen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxialen Gelenkmodule derart gesteuert werden, daß eines von ihnen als Haupt-Gelenkmodul und das andere als Hilfs-Gelenkmodul, welches dem Haupt-Gelenkmodul folgt, angetrieben werden.

4. Manipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfs-Gelenkmodul, wenn es dem Haupt-Gelenkmodul folgt, in Übereinstimmung mit einem Soll-Geschwindigkeitssignal gesteuert wird, welches proportional zu einem Wert ist, den man dadurch erhält, daß man ein Positionserfassungssignal des Hilfs-Gelenkmoduls, welches dem Haupt-Gelenkmodul folgend angetrieben wird, von einem Positionserfassungs­ signal des Haupt-Gelenkmoduls subtrahiert.