DE69934880T2

DE69934880T2 - Vorrichtung zur relativen bewegung von zwei teilen

Info

Publication number: DE69934880T2
Application number: DE69934880T
Authority: DE
Inventors: Torgny Brog Rdh
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2019-04-30
Also published as: JP2002514519A; WO1999058301A1; EP1075360B1; KR20010024978A; SE512931C2; EP1075360A1; DE69934880D1; US6412363B1; SE9801518D0; JP4070956B2; CA2329990A1; SE9801518L

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In ihrer bevorzugten Ausführungsform bildet die Einrichtung einen Roboter, dessen zweites Element dafür eingerichtet ist, direkt oder indirekt ein Arbeitselement zu tragen. Dieses Arbeitselement kann zu einer beliebigen Bewegung, Verarbeitung, Bearbeitung, etc. von Objekten dienen.
Eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der FR-A-2688437 bekannt.
Zum Bewegen und Drehen von Objekten, ohne die Neigung der Objekte zu verändern, werden heutzutage hauptsächlich Roboter des sogenannten SCARA-Typs verwendet. Diese Roboter sind für die vier Freiheitsgrade, x, y, z und φ_z (Drehung des Objekts um eine Achse parallel zu der z-Achse) gefertigt. Zum Manipulieren des Objekts in der xy-Ebene werden zwei in Reihe gekoppelte Arme verwendet, die in der xy-Ebene arbeiten, so dass die Achsen rechtwinklig zu der xy-Ebene verlaufen. Um eine Bewegung in z-Richtung zu erreichen, wird eine Linearbewegungseinrichtung verwendet. Diese Einrichtung kann entweder nach den in Reihe gekoppelten Armen oder vor den in Reihe gekoppelten Armen vorhanden sein. Im ersten Fall müssen die in Reihe gekoppelten Arme die Antriebsanordnung für die z-Bewegung bewegen, und im letzteren Fall muss die Antriebsanordnung für die z-Bewegung die in Reihe gekoppelten Arme bewegen. Die Antriebsanordnung für die φ_z-Bewegung wird sich immer an dem äußersten Ende der kinematischen Kette des Roboters befinden.
Bei Anwendungen, bei denen leichtere Objekte mit einem Erfordernis sehr kurzer Bewegungszeiten bewegt werden sollen, zeigen SCARA-Roboter ebenso wie alle anderen Roboter mit in Reihe gekoppelten kinematischen Gliedern den Nachteil, dass die Leistungsfähigkeit durch die bewegte Masse des Roboters selbst begrenzt ist. Dies ergibt, dass SCARA-Roboter eine niedrigere Grenze in Bezug auf die Zykluszeit erreichen, z.B. für eine Anwendung, bei der Objekte kontinuierlich aufgenommen und platziert werden sollen. Diese kürzestmögliche Zykluszeit ist hauptsächlich durch die thermische Belastung der Motoren bestimmt. Um die Zykluszeit zu verringern, ist bzw. sind ein größeres Motordrehmoment und dementsprechend größere Motoren erforderlich, was zu einer größeren bewegten Masse des Roboters führt. Dies bedeutet wiederum Erfordernisse steiferer Armsysteme, was zu einer noch größeren bewegten Masse führt etc. Eine Motor-Zwangskühlung kann natürlich verwendet werden, Getriebe können eingeführt werden, um die Motoren näher an die Basis des Roboters zu verlagern etc., aber dies macht den Roboter gleichzeitig teurer und weniger robust.
Eine Möglichkeit, die bewegte Masse eines Roboters drastisch zu verringern, besteht darin, eine parallele Roboterstruktur zu verwenden. Eine Studie darüber, welche Armstrukturen für parallele Roboter möglich sind, ist in dem Aufsatz "Structural kinematics of in-parallel-actuated robotarms" von Prof. K.H. Hunt (Journal of mechanisms, transmissions and automation in design, Dezember 1983) gemacht. Von besonderem Interesse ist eine Armstruktur, die aus drei parallelen Gliedanordnungen besteht, wobei jedes Glied fünf Gelenke aufweist, von denen vier Gelenke zwei Gelenkpaare vom Kardantyp bilden. Dieser Gliedtyp ist detailliert in dem Aufsatz "Constant-velocity shaft couplings: a general theory" von Prof. K.H. Hunt (Journal of engineering for industry, Mai 1973) beschrieben.
Eine Ausführung eines Roboters unter Verwendung der von Prof. Hunt beschriebenen Kinematikstruktur ist in dem US-Patent 4 976 582 gezeigt. Für eine Bewegung von Objekten in x-, y- und z-Richtung werden drei Kraft ausübende Anordnungen in Form von Antriebsmitteln verwendet, die sich in einem dreieckförmigen Muster an einem ersten Element in Form einer stationären Plattform befinden und die mit einem beweglichen Element in Form einer weiteren Plattform verbunden sind, an der das Arbeitselement, z.B. ein Greifmittel, über eine Gliedanordnung, die selbst fünf Gelenke aufweist, montiert ist. Eines dieser Gelenke ist durch eine Drehbarkeit einer Abtriebswelle von dem Antriebsmittel realisiert, während die vier anderen Gelenke entweder als zwei Kardangelenke ausgeführt sind, die in einer Ausführungsform mit zwei gegenseitig schwenkbar verbundenen Armkomponenten der Gliedanordnung eine dieser Armkomponenten mit der verbleibenden Armkomponente bzw. mit dem zweiten Element verbinden, oder als vier Kardankupplungen oder vier Kugelgelenke in dem Fall, dass eine der Armkomponenten in der Gliedanordnung zwei parallel angeordnete Glieder umfasst. Um das Objekt zu drehen, wird ein Getriebe zwischen einem Antriebsmittel an dem stationären ersten Element und einer Dreheinrichtung an dem beweglichen zweiten Element verwendet. Dieses Getriebe muss fünf Freiheitsgrade bieten, die genauer gesagt in Form einer Translationskupplung und zweier Kardangelenke realisiert sind.
Da alle Antriebsmittel an dem stationären ersten Element montiert sind, wird die parallele Roboterstruktur eine beträchtlich kleinere bewegte Masse aufweisen als ein SCARA-Roboter. Dies macht es möglich, viel kürzere Zykluszeiten bei dem gleichen verfügbaren Antriebsmittel-Drehmoment zu erreichen. Die von Prof. Hunt vorgeschlagenen und in dem US-Patent 4 976 582 beschriebenen Roboter mit parallelen Armen weisen in Bezug auf SCARA-Roboter jedoch mehrere Nachteile auf:

1. Der Arbeitsbereich ist klein in Bezug auf das Volumen, das von der Armstruktur des Roboters benötigt wird.
2. Der Roboter kann sich nicht umdrehen, um mehrere Bearbeitungsflächen in der Umgebung des Roboters zu bedienen.
3. Um über einer Bearbeitungsfläche zu arbeiten, muss das stationäre erste Element des Roboters in einem Rahmen aufgehängt sein. Dies verursacht mehrere Probleme:
3.1 Zusätzliche Kosten für den Rahmen
3.2 Der Rahmen macht es schwieriger, den Arbeitsbereich des Roboters zu erreichen.
3.3 Der Rahmen weist eine mechanische Eigenschwingung auf, die durch den Roboter angeregt wird und die einen Mangel an Genauigkeit verursacht, wenn die durch den Roboter bewegten Objekte positioniert werden.
3.4 Öl von Lagern und Getriebekästen und an dem ersten stationären Element des Roboters gesammelter Schmutz werden direkt nach unten in den Arbeitsbereich des Roboters fallen.
3.5 Der Roboter ist für Reparatur und Wartung schwerer zu erreichen.
3.6 Eine längere Kabelanordnung ist erforderlich, sowohl für einen Roboteranschluss als auch für einen Greifmittelanschluss sowie möglicherweise für eine Motor-Zwangskühlung.

Somit wäre eine parallele Roboterstruktur wünschenswert, die nicht alle obigen Nachteile in Bezug auf einen SCARA-Roboter aufweist. Dies bedeutet, dass man einen Roboter mit parallelen Armen mit SCARA-Kinematik bräuchte. Eine derartige Roboterkinematik ist in dem europäischen Patent EP 0 668 130 B1 beschrieben. Das bewegliche Element ist dort als eine Plattform ausgebildet und wird mittels zweier Arme mit fünf Gelenken sowie eines Arms mit drei Gelenken bewegt. Die Arme mit fünf Gelenken arbeiten in der xy-Ebene und verwenden eine Anordnung mit parallelen Linien, um eine konstante Neigung der beweglichen Plattform zu erhalten. Der Arm mit Gelenken arbeitet in der xz-Ebene und trägt zum Blockieren aller Freiheitsgrade der beweglichen Plattform bei. Diese SCARA-ähnliche Roboterstruktur weist jedoch die folgenden Nachteile im Vergleich zu der parallelen Roboterstruktur in dem US-Patent 4 976 582 auf:

1. Die der beweglichen Plattform am nächsten befindlichen Arme müssen ein Drehmoment von der beweglichen Plattform zu der stationären Plattform übertragen. Dies bedeutet, dass Lager und Arme dementsprechend dimensioniert sein müssen, was zu einer größeren bewegten Masse führt als bei dem Fall, bei dem drei Paare von parallelen Gliedern verwendet werden, die nur normale Kräfte aufnehmen müssen.
2. Der Motor, der den Arm mit drei Gelenken manipuliert, muss umgedreht werden, und dies führt zu einer zusätzlichen bewegten Masse des Roboters.
3. Die Anordnung mit parallelen Linien zum Erhalten einer konstanten Neigung der bewegten Plattform weist eine kürzere Lebensdauer und eine geringere Genauigkeit auf als parallele Glieder. Außerdem werden die Linien und ihre Halterungen Schmutz sammeln und es unmöglich machen, den Roboter in Anwendungen zu verwenden, die Anforderungen in Bezug auf Hygiene aufweisen.

Ein paralleler Roboter mit einer SCARA-ähnlichen Kinematik, der aber nicht die oben erwähnten Nachteile zeigt, ist in dem schwedischen Patent 9700090-5 beschrieben. Drei Antriebsmittel sind dort mit zusammenfallenden Drehzentren montiert, und jedes Antriebsmittel ist über Arme mit fünf Freiheitsgraden mit dem beweglichen Element (Plattform) verbunden. Die der beweglichen Plattform am nächsten befindlichen Arme bestehen aus drei, zwei bzw. einem Glied, und diese Glieder müssen nur normale Spannungen zwischen den beweglichen und den stationären Elementen (Plattformen) übertragen. Dies macht das Armsystem sehr leicht und gleichzeitig sehr steif. Außerdem sind die Gelenke nur einer normalen Kraft ausgesetzt, und die Lager können deshalb klein gemacht werden, mit einer resultierenden kleinen bewegten Masse des Roboters. Alle Antriebsmittel sind an dem stationären Element (Plattform) (10) montiert, und da sie ein gemeinsames Achsenzentrum aufweisen, kann der ganze Roboter durch synchrone Steuerung der Antriebsmittel umgedreht werden.
Ein Nachteil bei der Roboterstruktur gemäß dem schwedischen Patent 9700090-5 besteht darin, dass einer der Arme drei Glieder zwischen dem beweglichen Element (Plattform) und einem Armteil aufweist, das an einer Abtriebswelle des Antriebsmittels montiert ist, und dass ein anderer Arm nur ein Glied aufweist. Dies führt dazu, dass es nicht möglich ist, die Glieder für diese Arme in Paaren zu montieren, was andernfalls ein Vorteil ist, sowohl vom Blickpunkt der Kräfteübertragung als auch im Hinblick auf das Lagerdesign. Man könnte natürlich redundante Glieder einführen, so dass der Arm mit drei Gliedern zwei Gliedpaare erhält und der Arm mit einem Glied ein Gliedpaar erhält, aber dies führt zu einer größeren bewegten Masse und erhöht die Kosten für den Roboter.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die oben behandelten Probleme der parallelen Roboterstruktur in dem schwedischen Patent 9700090-5 zu verringern.
Präsentation der Erfindung
Die erklärte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Bereitstellen der Einrichtung mit den Merkmalen erreicht, die aus den beigefügten Ansprüchen und insbesondere aus Anspruch 1 ersichtlich werden. Dadurch wird ein Roboter mit parallel arbeitenden Gliedanordnungen erhalten, der für eine Bodenmontage gut geeignet ist und zusätzlich SCARA-Kinematik zeigt und ein Minimum an bewegter Masse aufweist. Dieser Roboter bietet großartige Möglichkeiten zum Aufnehmen und Platzieren von Objekten bei geringen Kosten und mit sehr kurzen Bewegungszeiten. Beispiele von Anwendungen sind ein Sortieren und Verpacken von Kuchen und Pralinen, ein Handhaben von kleinen Packungen, Dosen und Flaschen sowie von Packungen von Tabletten und Tablettentafeln in der pharmazeutischen Industrie.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Grundkonzepts der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 17 definiert.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der beigefügten Beschreibung ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen folgt nachstehend eine genauere Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Perspektivansicht, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 eine detaillierte Ansicht, die eine Ausgestaltung darstellt, die eine Alternative zu der in 1 gezeigten bildet; und
3 eine Perspektivansicht, die bestimmte Möglichkeiten von Variationen darstellt, was die Verbindung der Gliedanordnungen des Roboters mit dem beweglichen zweiten Element betrifft.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar. Ein erstes Element 1 ist in dem Beispiel als stationär oder starr montiert gedacht, z.B. an einem Ständer, der am Boden befestigt und bei 1 symbolisiert ist. Es wird in diesem Zusammenhang jedoch hervorgehoben, dass das hier als "stationär" beschriebene Element 1 selbst mittels einer anderen Bewegungsanlage im Raum bewegbar sein kann. Ein zweites Element, das relativ zum Element 1 beweglich ist, wird als 2 bezeichnet. Dieses Element hat in dem Beispiel den Charakter eines Rahmens. Das Element 2 ist mittels Kraft ausübender Anordnungen 3, 4 und 5 in x-, y- und z-Richtung manipulierbar. Diese sind als Antriebsmittel realisiert, die einen entsprechenden stationären Abschnitt a und einen relativ dazu beweglichen Abschnitt b umfassen. Es ist bevorzugt, dass die Antriebsmittel 3, 4, 5 als Drehmittel ausgestaltet sind, d.h. dass ihre beweglichen Abschnitte b drehbar sind. Die stationären Abschnitte a dieser Antriebsmittel 3, 4, 5 sind starr mit dem ersten Element 1 verbunden.
Mindestens drei Gliedanordnungen A, B, C sind zwischen die zwei Elemente 1, 2 gekoppelt. Die Antriebsmittel 3, 4 und 5 sind angeordnet, um zu bewirken, dass sich die Gliedanordnungen bewegen, um dadurch eine Relativbewegung der Elemente 1, 2 zu erreichen. Jede der Gliedanordnungen A, B, C umfasst mindestens eine erste Komponente 6, 7, 8 und mindestens eine zweite Komponente 14, 15; 16, 17; 18, 19. Die in 1 dargestellte Ausführungsform wird nun zunächst beschrieben, wobei jede Gliedanordnung A, B, C in der Ausführungsform mindestens zwei parallele Glieder umfasst, von denen gesagt werden kann, dass sie einen Unterarm einer jeden Gliedanordnung bilden. Die erste Komponente 6, 7, 8 bildet einen Oberarm der jeweiligen Gliedanordnung A, B, C.
Das zweite Element 2 ist als ein Rahmen aufgebaut, um die schwenkbare paarweise Montage der drei Paare von parallelen Gliedern 14, 15; 16, 17; 18, 19 in drei Dimensionen zu ermöglichen. Es ist entscheidend für die Funktion des Roboters mit einer SCARA-ähnlichen Kinematik, wie die drei Paare von Gliedern an dem Rahmen 2 montiert sind.
Die zwei Glieder 14, 15; 16, 17; 18, 19 in jeder der Gliedanordnungen A, B, C sind schwenkbar mit der Oberarmkomponente 6, 7 bzw. 8 der Gliedanordnungen und mit dem Rahmen 2 verbunden. Genauer gesagt sind die Glieder 14 und 15 mittels Gelenkanordnungen 20, 21 mit der Armkomponente 6 verbunden, während die Glieder mittels Gelenkanordnungen 22, 23 mit dem Rahmen 2 verbunden sind. Diese Gelenkanordnungen sind so entworfen, dass sie in dem zusammengebauten Zustand des Roboters eine Relativbewegung mit zwei und nicht mehr als zwei Freiheitsgraden zwischen der durch die Glieder 14, 15 gebildeten Unterarmkomponente und der Oberarmkomponente 6 bzw. dem Rahmen 2 ermöglichen, wobei die Freiheitsgrade in einer Schwenkbarkeit in allen Richtungen um zwei reale oder imaginäre Achsen bestehen, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind. In der Praxis können die einzelnen Gelenke 20, 21, 22, 23 durch Kardangelenke oder Kugelgelenke gebildet sein. In dem letzteren Fall wird ein Freiheitsgrad in Form einer Drehbarkeit des einzelnen Glieds 14, 15 um seine longitudinale Achse hinzugefügt werden, aber als eine Folge davon, dass die Glieder 14, 15 parallel angeordnet sind, bringt dieser zusätzliche Freiheitsgrad keinen zusätzlichen Freiheitsgrad des Rahmens 2 in Bezug auf den Ständer oder das Element 1 mit sich, wenn sich der Roboter in seinem zusammengebauten Zustand befindet.
Was eben im Hinblick auf die Glieder 14 und 15 und ihre Gelenke in der Gliedanordnung A beschrieben wurde, hat auch seine Entsprechung in Bezug auf die anderen Gliedanordnungen B und C. Genauer gesagt umfasst die Unterarmkomponente der Gliedanordnung B ebenso zwei parallel angeordnete Glieder 16, 17, die über Gelenke 24, 25 mit der Oberarmkomponente 7 und über Gelenke 26, 27 mit dem Rahmen 2 verbunden sind. In Bezug auf die Gliedanordnung C ist die Unterarmkomponente durch die zwei parallelen Glieder 18, 19 gebildet, die über Gelenke 28, 29 mit der Oberarmkomponente 8 und über Gelenke 30, 31 mit dem Rahmen 2 verbunden sind.
Die zwei Glieder in jedem der Gliedpaare in den Gliedanordnungen A, B, C weisen im Wesentlichen die gleiche Länge auf, was bedeutet, dass sie als eine Folge der Parallelität Parallelogramme bilden.
Ein Arbeitselement 36 von beliebiger Art, z.B. ein Greifmittel, ist an dem Rahmen 2 vorgesehen.
Der bewegliche Abschnitt b des Antriebsmittels 3 ist mit der Oberarmkomponente 6 verbunden, so dass der letzteren eine Schwenkbarkeit um die mit 37 bezeichnete Achse verliehen ist.
Der bewegliche Abschnitt b des Antriebsmittels 4 ist mit der Oberarmkomponente 7 der Gliedanordnung B verbunden, so dass das Antriebsmittel 4 die Oberarmkomponente 7 in eine Schwenkbewegung versetzen kann. Diese Schwenkbewegung erfolgt um die Achse 37. Es wird hervorgehoben, dass die Drehachsen der zwei Antriebsmittel 3 und 4 nicht notwendigerweise parallel verlaufen und noch weniger zusammenfallen müssen wie in 1 dargestellt ist, obwohl dies meist bevorzugt ist, nicht zuletzt da die Kinematik zum Umdrehen des Roboters mit einem großen Winkel und insbesondere bis zu einer kompletten Umdrehung dann vereinfacht ist.
Auch die Oberarmkomponente 8 des verbleibenden C der Gliedanordnungen ist schwenkbar angeordnet, genauer gesagt um eine mit 38 bezeichnete Achse. Diese Achse 38 verläuft für mindestens eine der Oberarmkomponenten 6, 7, die zu den zwei anderen Gliedanordnungen A, B gehören, nicht parallel zu der Schwenkachse 37. Zum Verschwenken der Oberarm komponente 8 gibt es das Antriebsmittel 5, dessen beweglicher Abschnitt b ein Zahnrad 9 umfasst, das in einem Winkelgetriebe 9/10 enthalten ist. Das konische Zahnrad 10 ist starr mit der Oberarmkomponente 8 verbunden, so dass die Drehung des Zahnrads 10 ein Verschwenken der Oberarmkomponente 8 um die Achse 38 bewirkt. Das Zahnrad 10 ist mittels einer Achse 53 drehbar in der Oberarmkomponente 7 der Gliedanordnung B gelagert. Diese Anordnung bedeutet, dass bei einem Verschwenken der Oberarmkomponente 7 mittels des Antriebsmittels 4 auch die Armkomponente 8 als eine Folge der Tatsache mitgehen wird, dass die Achse 53 und auch das Zahnrad 10 mit der Schwenkbewegung mitgehen werden.
Es ist bevorzugt, dass die Drehachse des beweglichen Abschnitts b des Antriebsmittels 5 mit der Drehachse von b des Antriebsmittels 4 zusammenfällt. Die optimale Ausführungsform in dieser Hinsicht besteht darin, dass die beweglichen Abschnitte aller Antriebsmittel 3, 4, 5 um ein und dieselbe geometrische Achse 37 drehbar sind.
Entscheidend dafür, dass der Roboter mit einer SCARA-ähnlichen Kinematik funktioniert, ist, wie die drei Paare von Gliedern 14, 15; 16, 17; 18, 19 an dem Rahmen 2 montiert sind. Erfindungsgemäß gibt es Anforderungen im Hinblick auf die Richtungen der Linien 42, 43 und 44. Diese Linien sind durch Schwenkzentren der Gelenke, welche die Unterarme mit dem Rahmen 2 verbinden, definiert. Somit ist die Linie 42 durch Schwenkzentren der Gelenke 26 und 27 definiert, welche die Glieder 16 und 17 mit einer schwenkbaren Verbindung an dem Rahmen 2 in der Rahmenstrebe 33 versehen. Auf die gleiche Weise ist die Linie 43 durch die Gelenke 30 und 31 definiert, welche die Glieder 18 und 19 mit der Rahmenstrebe 34 verbinden, und die Linie 44 durch die Gelenke 22 und 23 zwischen den Gliedern 14 und 15 und der Rahmenstrebe 32.
Gemäß der Ausführungsform in 1 verlaufen die Linien 42 und 43 parallel zu der xy-Ebene, während die Linie 44 parallel zu der z-Achse verläuft. Weiterhin bildet die Linie 43 den Winkel 45° mit der Linie 42. Gleichzeitig definieren die Richtungen der Linien 42, 43 und 44 die Ausrichtung des Rahmens 2.
Weitere Anforderungen sind vorhanden: in 1 ist die Linie 39 durch die Gelenke 24 und 25 definiert, welche die Glieder 16 und 17 mit der Oberarmkomponente 7 der Gliedanordnung B verbinden. Die Linien 39 und 42 müssen wechselseitig parallel verlaufen.
Bezüglich der Gliedanordnung A ist die Linie 41 durch die Gelenke 20, 21 definiert, welche die Glieder 14 und 15 mit der Oberarmkomponente 6 verbinden. Die Schwenkzentrumslinien 41 und 44 müssen gleichermaßen wechselseitig parallel verlaufen. Schließlich ist die Linie 40 in der Gliedanordnung C durch die Gelenke 28, 29 der Glieder 18, 19 definiert. Die Linien 40 und 43 müssen wechselseitig parallel verlaufen.
Zu dem oben erklärten soll hinzugefügt werden, dass die Schwenkachse 37 für das zu der Gliedanordnung A gehörende Antriebsmittel 3 parallel zu den Linien 41 und 44 verlaufen muss. Auch für die Gliedanordnung C muss die Schwenkachse 38 für die Oberarmkomponente 8 parallel zu den Linien 40 und 43 verlaufen. Für die verbleibende Gliedanordnung B ist es erforderlich, dass die Schwenkachse 37 für deren Oberarmkomponente 7, d.h. die Drehachse des beweglichen Abschnitts b des Antriebsmittels 4 der Gliedanordnung, rechtwinklig zu den Linien 39 und 42 verlaufen muss.
Da sich die Linie 43 bei der dargestellten Ausführungsform in einem Winkel von 45° in Bezug auf die Linie 42 erstreckt, werden auch die Linien 38 und 40 einen Winkel von 45° mit den Linien 39 und 42 bilden.
Die Gelenke 18–31 können vom Typ Kugelgelenk (Pendelkugellager) oder Kardangelenk (Hooke-Kupplung) sein. Die Verwendung von Kugelgelenken ist in 1 angegeben. Es ist auch möglich, die Gelenkfunktion eines Paars von Gliedern gemäß 2 zu verteilen, in der diese Anordnung für das Gliedpaar 14, 15 dargestellt ist. An der Oberarmkomponente 6 ist ein Lager 49 montiert, welches ermöglicht, dass die Achse 46, die gleichzeitig als die Strebe 11 in 1 wirkt, gedreht werden kann, wobei ihr Drehzentrum mit der Linie 41 zusammenfällt. An den zwei Enden der Achse 46 sind zwei Lager 47, 48 montiert, so dass die Glieder 14, 15 nach oben/nach unten geschwenkt werden können. Auf die gleiche Weise sind die Glieder über die Lager 50, 51 und 52 mit der Rahmenstrebe 32 verbunden. Das Lager 52 versieht die Achse 45 mit einem Drehzentrum, das mit der Linie 44 zusammenfällt. Es wird hervorgehoben, dass, wenn die Unterarmkomponente der entsprechenden Gliedanordnung durch zwei parallele Glieder gebildet ist, die jeweiligen Schwenkzentrumslinien als durch Linien gebildet gedacht werden können, welche sich durch derartige Schwenkzentren erstrecken, die den Gliedern ermöglichen, in ihrer gemeinsamen Ebene zu schwenken.
Für den Rest ist bei der Ausführungsform gemäß 1 das Folgende erforderlich. Die Glieder 14 und 15 sollten die gleiche Länge aufweisen, und der Abstand zwischen den Gelenken 20 und 21 sollte der gleiche sein wie der Abstand zwischen den Gelenken 22 und 23 (der Abstand zwischen den Gelenken ist definiert als der Abstand zwischen den Schwenkachsen der Gelenke, wenn die parallelen Glieder in der durch die Glieder gebildeten Ebene übereinstimmend schwenken).
Die Glieder 16 und 17 sollten die gleiche Länge aufweisen, und der Abstand zwischen den Gelenken 24 und 25 sollte der gleiche sein wie der Abstand zwischen den Gelenken 26 und 27. Die Glieder 18 und 19 sollten die gleiche Länge aufweisen, und der Abstand zwischen den Gelenken 28 und 29 sollte gleich dem Abstand zwischen den Gelenken 30 und 31 sein.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Oberarmkomponente 7 einen abgewinkelten Teil 54, in den die Achse 53 des Zahnrades 10 eingesetzt ist.
Wie schon oben ersichtlich ist, müssen die Drehzentrumsachsen für die Antriebsmittel 4 und 5 immer zusammenfallen. Im Gegensatz dazu ist es nicht notwendig, dass die Drehzentrumsachse für das Antriebsmittel 3 mit der gemeinsamen Drehzentrumsachse für die Antriebsmittel 4 und 5 zusammenfällt.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 werden die Antriebsmittel 3, 4 und 5 die Position des Rahmens 2 in x-, y- und z-Richtung steuern. Dies bedeutet, dass der Roboter z.B. zum Aufnehmen und Abgeben von Objekten mit dem Arbeitselement 36 in der Figur verwendet werden kann. Die Verschiebungen des Arbeitselements werden mit einer konstanten Neigung (φ_x und φ_y kostant) erfolgen, während die Ausrichtung (φ_z) von der Richtung der Armkomponente 7 abhängen wird. Bei vielen Anwendungen ist es jedoch erwünscht, die Ausrichtung des Objekts steuern zu können, was bedeutet, dass ein Getriebe für die Drehung des Arbeitselements 36 eingeführt werden muss, es sei denn, es ist annehmbar, die bewegte Masse des Roboters durch Anordnen eines Motors für die φ_z-Manipulation in dem Rahmen 2 zu erhöhen.
Wie zuvor erwähnt wurde, sind die Richtungen der Linien 42, 43 und 44 entscheidend für den Betrieb des Roboters. Wenn es erwünscht ist, dass die Drehachse der Antriebsmittel 3 und 4 vertikal sein soll, so dass der Roboter wie ein SCARA-Roboter leicht um diese Achse gedreht werden kann, dann müssen die Linien 41 und 44 vertikal sein.
Da die Oberarmkomponente 8 der Gliedanordnung C relativ zu der Oberarmkomponente 7 der Gliedanordnung B beweglich ist, und diese wiederum relativ zu dem ersten Element 1 verschwenkbar ist, wird die Oberarmkomponente 8 relativ zu dem ersten Element 1 mit zwei Freiheitsgraden beweglich sein, nämlich einer Schwenkbarkeit um zwei Achsen.
Es ist bevorzugt, dass sich die Schwenkachsen 37 und 38 für die Oberarmkomponenten 7, 8 der Gliedanordnungen B, C gegenseitig schneiden. Vorzugsweise verlaufen diese Schwenkachsen 37, 38 rechtwinklig zueinander.
Die Linie 44 wurde in 1 an dem Rahmenteil 32 angeordnet und die Linie 42 an dem Rahmenteil 33. Diese Anordnung ist jedoch beliebig, da das Wichtige ist, eine Kontrolle über alle Freiheitsgrade des Rahmens zu haben. Die Linien 44 und 42 können im Prinzip irgendwo an einem beliebig ausgestalteten Rahmen angeordnet sein, solange sichergestellt ist, dass sich die Linie 44 und die Linie 42 in einem Winkel zueinander erstrecken. Ebenso können die Gelenkpaare 22/23 und 26/27 irgendwo auf den Linien 44 bzw. 42 angeordnet sein. Was die Linie 43 betrifft, gibt es ebenfalls große Möglichkeiten der Variation. So kann die Linie 43 in dem Rahmen beliebig parallel verschoben sein. Wie schon erklärt, bildet die Linie 43 in dem Beispiel einen rechten Winkel mit der Linie 44, während sich auch die Linie 42 in einem rechten Winkel in Bezug auf die Linie 44 erstreckt und die Linie 43 einen Winkel von im Wesentlichen 45° in Bezug auf die Linie 42 bildet. Diese Winkelbeziehungen können jedoch wie in 3 angegeben modifiziert sein. Die darin gegebene Präsentation stellt dar, dass die Linien 43 und 42 verändert sein können, wobei die Linie 44 in diesem Fall als ein Ausgangspunkt betrachtet wird. In 3 ist mit gestrichelten Linien angegeben, dass die Linien 42 und 43 in Bezug auf die in 1 dargestellte Ausrichtung beträchtlich geneigt sein können. Es wird jedoch betont, dass die Linien 42 und 43 nicht so ausgerichtet sein können, dass alle Linien 42, 43 und 44 in derselben Ebene liegen würden. Die Linien 42, 43 und 44 können auch nicht parallel verlaufen.
Die Möglichkeiten, die innerhalb praktischer Grenzen bezüglich der Variation der Positionen der Linien 42 und 43 gemäß dem, was in 3 angegeben ist, möglich sind, können auf die folgende Weise formuliert werden: Ebenen, die sich parallel zu der Schwenkzentrumslinie 44 für die Gelenkanordnung 22, 23 zwischen den Gliedern 14, 15 und dem Rahmen 2 der Gliedanordnung A erstrecken und die sich außerdem parallel zu der Schwenkzentrumslinie 43 für die Gelenkanordnung 30, 31 zwischen den Gliedern 18, 19 und dem Rahmen 2 der Gliedanordnung C erstrecken, bilden einen Winkel, der von 0° und 90° verschieden ist, geeigneterweise innerhalb von 20–70°, vorzugsweise 30–60° und speziell von etwa 45° in Bezug auf die Schwenkzentrumslinie 42 für die Gelenkanordnung 26, 27 zwischen den Gliedern 16, 17 und dem Rahmen 2, was die Gliedanordnung B betrifft. Die letztere Schwenkzentrumslinie 42 bildet dann einen Winkel, der vorzugsweise in dem Bereich von –30 bis +60° in Bezug auf Ebenen liegt, die sich rechtwinklig zu der Schwenkzentrumslinie 44 erstrecken. Für eine gute Stabilität in dieser Hinsicht sollte der Winkel von –30 bis +60° wie in 3 angegeben in Bezug auf die Linie 42 vorhanden sein, nämlich nur in einer Richtung gezählt von der Ausgangsposition, wie sie aus 1 ersichtlich ist.
Bezüglich der Gliedanordnung C bildet die Schwenkzentrumslinie 43 für die Gelenkanordnung 30, 31 Winkel, die vorzugsweise zwischen –15 und +45° in Bezug auf Ebenen liegen, die sich rechtwinklig zu der Schwenkzentrumslinie 44 für die zu der Gliedanordnung A gehörende Gelenkanordnung 22, 23 erstrecken.
Es wird hervorgehoben, dass es bei allen Änderungen der Richtung der Linien 42 und 43 gemäß 3 erforderlich ist, dass wie zuvor beschrieben eine Parallelität in Bezug auf die Linien 39 bzw. 40 aufrecht erhalten werden muss.
Die Ausrichtung des Rahmens in der xy-Ebene, d.h. dessen Drehwinkel φ_z um die z-Achse, ist durch die Richtung der Linie 42 (in der xy-Ebene) bestimmt. Somit wird der Rahmen 2 in 1 gedreht, wenn die Armkomponente 7 umgedreht wird. In dem Fall, dass eine konstante Ausrichtung erforderlich ist, kann die Armkomponente 7 durch ein Parallelogramm ersetzt sein, dessen äußerste Strebe mit dem Armteil 12 verbunden ist und dessen innere Strebe an dem Ständer 1 befestigt ist. Das Antriebsmittel 4 ist dann so angeordnet, dass es die dazwischenliegenden parallelen Streben in eine Schwenkbewegung versetzt. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die Armkomponente 7 in 1 durch zwei parallele Streben ersetzt würde, die in einem Parallelogramm umfasst sind.
Es ist offensichtlich, dass das, was oben beschrieben wurde, nur als für das erfinderische Konzept erläuternd erachtet ist, das dazu gedacht ist, durch die beschriebene Ausführungsform veranschaulicht zu werden. Zahlreiche Variationen sind durch den Fachmann auf dem Gebiet realisierbar, wenn Kenntnisse in Bezug auf die grundlegenden Merkmale der Erfindung erlangt wurden. Somit ist die Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt.

Claims

Einrichtung zur Relativbewegung zweier Elemente (1, 2), die mindestens drei Gliedanordnungen (A, B, C) umfasst, die zwischen den zwei Elementen (1, 2) eingefügt sind, sowie Kraft ausübende Anordnungen (3, 4, 5), um zu bewirken, dass sich die Gliedanordnungen (A, B, C) bewegen, um so für die Relativbewegung der Elemente (1, 2) zu sorgen, wobei jede der Gliedanordnungen mindestens eine erste Komponente (6, 7, 8) und mindestens eine zweite Komponente (14, 15, 16, 17, 18, 19) umfasst, wobei die ersten und zweiten Komponenten in jeder der Gliedanordnungen (A, B, C) verschwenkbar miteinander verbunden sind und zusätzlich mit einem jeweiligen zugeordneten der ersten und zweiten Elemente (1, 2) verschwenkbar verbunden sind, wobei die ersten und zweiten Komponenten in jeder der Gliedanordnungen (A, B, C) mittels Gelenkanordnungen (20, 21; 24, 25; 28, 29) miteinander verbunden sind, die zumindest in dem zusammengebauten Zustand der Einrichtung eine Relativbewegung mit zwei Freiheitsgraden zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Komponenten ermöglichen, wobei die Freiheitsgrade in einer Verschwenkbarkeit um zwei reale oder imaginäre Achsen bestehen, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind, wobei jede der mindestens einen zweiten Komponente durch Gelenkanordnungen (22, 23; 26, 27; 30, 31) mit dem zweiten Element (2) verbunden ist, die in dem zusammengebauten Zustand der Einrichtung eine relative Beweglichkeit zwischen den zweiten Komponenten und dem zweiten Element (2) mit zwei Freiheitsgraden in Form einer Schwenkbarkeit um zwei reale oder imaginäre Achsen ermöglichen, die in einem Winkel relativ zueinander angeordnet sind, wobei die mindestens eine zweite Komponente in jeder der Gliedanordnungen (A, B, C) mindestens zwei parallele Glieder umfasst, die jeweils durch Kardangelenke oder Kugelgelenke oder andere Gelenke, die ein Verschwenken um zwei oder drei in einem Winkel zueinander angeordnete Achsen ermöglichen, mit der ersten Komponente in der jeweiligen Gliedanordnung (A, B, C) und dem zweiten Element (2) verbunden sind, wobei die Gelenkanordnungen, die jede einzelne der zweiten Komponenten mit der ersten Komponente in der jeweiligen Gliedanordnung (A, B, C) und mit dem zweiten Element (2) verbinden, zueinander parallele reale oder imaginäre Schwenkachsen (42, 43, 44 und 39, 40, 41) bilden, wobei Linien (42, 43, 44), die sich durch Schwenkzentren erstrecken, die durch die Gelenkanordnungen zwischen der mindestens einen zweiten Komponente (14, 15, 16, 17, 18, 19) in den Gliedanordnungen (A, B, C) und dem zweiten Element (2) gebildet sind, nicht alle in der gleichen Ebene liegen, wobei für mindestens eine (A, C) der Gliedanordnungen deren erste Komponente (6, 8) relativ zu dem ersten Element (1) um eine Schwenkachse (37, 38) verschwenkbar ist, die im Wesentlichen parallel zu den Schwenkzentrumslinien (41, 44 bzw. 40, 43) zwischen der mindestens einen zweiten Komponente (14, 15; 18, 19) in der fraglichen Gliedanordnung und der ersten Komponente (6, 8) bzw. dem zweiten Element (2) verläuft, wobei die Schwenkzentrumslinien (42, 43, 44) für die Gliedanordnungen zwischen der mindestens einen zweiten Komponente in den Gliedanordnungen (A, B, C) und dem zweiten Element (2) nicht parallel verlaufen, wobei die erste Komponente (8) einer zweiten (C) der Gliedanordnungen um eine Achse (38) relativ zu dem ersten Element verschwenkbar ist und diese zuletzt erwähnte Achse (38) den gleichen Winkel in Bezug auf die Schwenkzentrumslinie (39) für die Gliedanordnung (24, 25) zwischen den ersten und zwei ten Komponenten (7; 16, 17) einer weiteren Gliedanordnung (B) bildet, den die Schwenkzentrumslinie (43) zwischen der mindestens einen zweiten Komponente (18, 19) der zweiten Gliedanordnung (C) und dem zweiten Element (2) in Bezug auf die Schwenkzentrumslinie (42) zwischen der mindestens einen zweiten Komponente (16, 17) der weiteren Gliedanordnung (B) und dem zweiten Element (2) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass Ebenen, die sich parallel zu der Schwenkzentrumslinie (44) für die Gliedanordnung (22, 23) zwischen der mindestens einen zweiten Komponente (14, 15) und dem zweiten Element (2) von einer (A) ersten der Gliedanordnungen erstrecken und die sich außerdem parallel zu der Schwenkzentrumslinie (43) der Gelenkanordnung (30, 31) zwischen der mindestens einen zweiten Komponente (18, 19) und dem zweiten Element (2) der zweiten (C) der Gliedanordnungen erstrecken, einen Winkel bilden, der innerhalb 20–70°, vorzugsweise 30–60° und insbesondere bei etwa 45° in Bezug auf die Schwenkzentrumslinie (42) der Gelenkanordnung (26, 27) zwischen der mindestens einen zweiten Komponente (16, 17) und dem zweiten Element (2) der weiteren Gliedanordnung (B) liegt, und dadurch, dass die zuletzt erwähnte Schwenkzentrumslinie (42) einen Winkel, der vorzugsweise in dem Winkelbereich von –30 bis +60° liegt, in Bezug auf Ebenen bildet, die sich rechtwinklig zu der Schwenkzentrumslinie (44) für die Gliedanordnung (22, 23) zwischen der mindestens einen zweiten Komponente (14, 15) und dem zweiten Element (2) der ersten Gliedanordnung (A) erstrecken.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (8) der zweiten (C) der Gliedanordnungen angeordnet ist, um mit der ersten Komponente (7) der weiteren Gliedan ordnung (B) verbunden zu sein, um bei einer Schwenkbewegung mit dieser ersten Komponente mitzugehen.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (8) der zweiten (C) der Gliedanordnungen um eine Achse (38) relativ zu der ersten Komponente (7) der weiteren Gliedanordnung (B) verschwenkbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (7) der weiteren Gliedanordnung (B) ein Parallelogramm umfasst.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Komponenten (6, 7) von mindestens zwei (A, B) der Gliedanordnungen mit einem und nicht mehr als einem Freiheitsgrad relativ zu dem ersten Element (1) beweglich sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (8) mindestens einer (C) der Gliedanordnungen mit zwei und nicht mehr als zwei Freiheitsgraden relativ zu dem ersten Element (1) beweglich ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schwenkachsen (37, 38) für die ersten Komponenten (7, 8) von zwei der Gliedanordnungen (B, C) gegenseitig schneiden.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachsen (37, 38) für die ersten Komponenten (7, 8) von zwei der Gliedanordnungen (B, C) im Wesentlichen rechtwinklig zueinander verlaufen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft ausübende Anordnung (5) zum in Bewegung Bringen einer (C) der Gliedanordnungen einen ersten Abschnitt aufweist, der mit dem ersten Element (1) verbunden ist, während diese Kraft ausübende Anordnung einen zweiten Abschnitt aufweist, der relativ zu dem ersten erwähnten Abschnitt beweglich ist und der angeordnet ist, um zu bewirken, dass sich die erste Komponente (8) der ersten erwähnten (C) der Gliedanordnungen bewegt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft ausübende Anordnung (5) zum Bewirken, dass sich eine (C) der Gliedanordnungen bewegt, einen ersten Abschnitt, der starr mit dem ersten Element (1) verbunden ist, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der relativ zu dem ersten beweglich ist und der angeordnet ist, um mittels eines Winkelgetriebes die erste Komponente einer weiteren (C) der Gliedanordnungen in eine Schwenkbewegung zu versetzen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachsen (37) für die ersten Komponenten (6, 7) von zwei (A, B) der Gliedanordnungen im Wesentlichen parallel verlaufen.
Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachsen (37) für die ersten Komponenten (6, 7) der zwei Gliedanordnungen (A, B) gegenseitig zusammenfallen.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der Kraft ausübenden Anordnung (5), die über das Winkelgetriebe (9, 10) auf die erste Komponente (8) einer (C) der Gliedanordnungen einwirkt, im Wesentlichen parallel und vorzugsweise im Wesentlichen zusammenfallend mit der Drehachse einer anderen (4) Kraft ausübenden Anordnung verläuft, die einen ersten Abschnitt, der starr mit dem ersten Element (1) verbunden ist, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der relativ zu dem ersten Abschnitt beweglich ist und mit der ersten Komponente (7) einer anderen (B) der Gliedanordnungen verbunden ist, genauer gesagt der Gliedanordnung, mit deren Bewegung die erste Komponente (8) der ersten erwähnten Gliedanordnung (C) angeordnet ist, mitzugehen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine der Gliedanordnungen (A, B, C) die zweiten Komponenten (14, 15; 16, 17; 18, 19) durch mindestens zwei im Wesentlichen parallele Glieder gebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einzelne Gelenk (20, 21; 22, 23; 26, 27; 24, 25; 28, 29; 30, 31) der parallelen Glieder für sich selbst betrachtet zwei oder drei Freiheitsgrade umfasst.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkzentrumslinie (43) der Gelenkanordnung (30, 31) zwischen der mindestens einen zweiten Komponente (18, 19) und dem zweiten Element (2) der zweiten Gliedanordnung (C) Winkel bildet, die vorzugsweise zwischen –15 und +45° in Bezug auf Ebenen liegen, die sich rechtwinklig zu der Schwenkzent rumslinie (44) der Gelenkanordnung (22, 23) zwischen der mindestens einen zweiten Komponente (14, 15) und dem zweiten Element (2) der ersten Gliedanordnung erstrecken.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch einen Industrieroboter ausgeführt ist, dessen zweites Element (2) dafür eingerichtet ist, direkt oder indirekt mindestens ein Arbeitselement (3) zu tragen.