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Fernbetätigbares Handhabungsgerät (Manipulator)
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Handhabungsgerät, insbesondere ein fernbetätigbares Handha- bungsgerät (Manipulator), mit dessen Hilfe man von einer"Steuerstelle"aus an einer entfernt gelegenen "Arbeitsstellen befindliche Gegenstände behandeln, d. h. erfassen, bewegen und wieder absetzen kann, insbesondere radioaktive Gegenstände.
Die bisher bekannten fernbetätigbaren Handhabungsgeräte haben an der Steuerstelle einen Steuer- kopf und an der Arbeitsstelle einen gesteuerten Kopf, der - über geeignete Gleichlauf-Verbindungsmittel zwischen den beiden Köpfen - genau die gleichen Bewegungen ausführt, die von einer Bedienungsperson mit dem Steuerkopf durchgeführt werden.
Der fernzusteuerndl Kopf trägt eine Zange oder ein anderes ähnliches Werkzeug, mit dem man ein zu behandelndes Objekt ergreifen, bewegen und wieder absetzen oder irgendeine andere Arbeit verrichten kann. Der Steuerkopf hat ein Betätigungsorgan, das einerseits eine Führung oder Bewegung des am ge- steuerten Kopf sitzenden Werkzeuges erlaubt und anderseits ein Betätigen, z. B. ein Öffnen und Schliessen dieses Werkzeuges, wobei sämtliche Bewegungen des Werkzeuges identisch zu denjenigen Bewegungen sind, die der Bedienungsmann mit dem Betätigungsorgan durchführt ; sie sind auch synchron zu den Steuer- bewegungen, da die beweglichen, zueinander homologen Teile der beiden Köpfe durch Seile oder andere Übertragungsmittel gekuppelt sind.
Es ist beispielsweise durch die USA-Patentschrift Nr. 2, 695, 715 ein Steuer- und/oder gesteuerter
Kopf bekanntgeworden, der als Knie-Drehgelenk ausgebildet ist. In dem von diesem Gelenk abstehenden und um die Gelenkachse schwenkbaren Schenkel ist ein rohrförmiger Bauteil um die Schenkellängsachse drehbar gelagert. Dieser rohrförmige Bauteil trägt den Steuerkopf mit einem Hebel oder einem andern Betätigungsorgan. während das homologe Element in dem gesteuerten Kopf, z. B. eine Zange trägt ; das
Steuerorgan und diese Zange sind über ein Seil miteinander verbunden, das axial in den beiden rohrförmigen Bauteilen der Köpfe liegt.
Da das Seil die Schwenkbewegung des Schenkels mitmacht, sind besondere Vorkehrungen erforderlich, um die Seilspannung gleichbleibend zu halten. Eine gleichbleibende Seilspannung wäre ja nur dann gesichert, wenn das Seil die Schwenkachse des Schenkels schneiden würde. Da jedoch dieser Schnittpunkt wegen der notwendigen Umlenkung des Seiles technisch nicht realisierbar ist, ist man genötigt, die folgende Ausführung anzuwenden.
Der Schenkel schwenkt um zwei koaxiale Zapfen, die durch einen grösseren axialen Abstand voneinander getrennt sind. In dem freien Raum zwischen den einander zugewandten Enden beider Zapfen sind zwei kleine, mit je einer umlaufenden Seilrille versehene Seilrollen angeordnet, deren Achsen parallel zur Schwenkachse des Schenkels liegen und die sich mit ihren Umfängen nahezu berühren. Sie sind starr mit dem schwenkbaren Träger verbunden und führen das Seil annähernd in seiner theoretisch günstigsten Lage.
Diese Ausführung stellt eine verhältnismässig komplizierte Konstruktion dar, da die Schwenkachse des Schenkels durch zwei genau koaxiale Zapfen gebildet werden muss, die einen grösseren Abstand voneinander haben ; weiterhin zeigt die Erfahrung, dass die Spannung in dem Seil nicht genau konstant gehalten werden kann.
Die Erfindung hat den Zweck, einen verbesserten Steuer- oder gesteuerten Kopf für einen Manipulator
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zu schaffen, der nach Art eines Knie-Drehgelenkes ausgebildet ist und einen rohrförmigen, von einem um eine Achse schwenkbaren Schenkel getragenen Bauteil enthält, durch den ein Seil axial hindurchführt, das ein Steuerorgan mit einem zu steuernden Organ verbindet, beispielsweise mit einer Zange oder einem andern Werkzeug der erfindungsgemäss verbesserte Kopf beseitigt in einfacher Weise die vorher erwähnten Nachteile und gestattet insbesondere, die Spannung des Seiles ganz genau konstant zu halten.
Dieses Ergebnis wird dadurch erzielt, dass einerseits die Schwenkachse des schwenkbaren Schenkels ein einziger, den Kopf quer durchsetzender Zapfen ist und anderseits die Führung des Seiles durch die Kombination einer frei drehbar auf der in einem festen Kopfgehäuse sitzenden Schwenkachse gelagerten Seilscheibe mit einer Seilrolle bzw. Umlenkachse und einer Sellführungsscheibe bzw.
Umlenkachse gegeben ist, von denen die Seilrolle dazu dient, das Seil nach einer gewissen Umschlingung der Seilscheibe in die Achse des rohrförmigen Bauteiles zu führen, der in dem schwenkbaren Träger drehbar gelagert ist, während die relativ zur Seilscheibe an der der Seilrolle abgewandten Seite angeordnete Seilführungsschei- be vorgesehen ist, um demjenigen Teil des Seiles, der zwischen den beiden Scheiben liegt, eine unver- änderliche Richtung zu geben, wobei die Umschlingungswinkel des Steuerkopfes und des gesteuerten Kopfes so gewählt sind, dass die Gesamtseilstrecke von der Verschwenkung um die Schwenkachse unabhängig ist.
Die Erfindung verbessert also ganz allgemein fernbetätigbare Handhabungsgeräte, bei denen zwei der erfindungsgemässen Köpfe, der eine als Steuer- der andere als gesteuerter Kopf, verwendet werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung an ausgewählten Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt, ungefähr längs der Schnittlinie 1-1 der Fig. 2, durch einen Kopf eines fernbe- tätigbaren Behandlungsgerätes, Fig. 2 im Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1 eine mögliche Anordnung der beiden In homologer Weise ausgeführten Köpfe - eines-Steuerkopfes und eines gesteuerten Kopfes - eines fembetätigbaren Bebandlungsgerätes und Fig. 3 eine ähnliche Anordnung mit einer abweichenden Ausführungsform der beiden Köpfe des Behandlungsgerätes.
Bei dem in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um dieAufgabe, von einer SteuerstelleI eine Klemmzange p oder ein ähnliches Werkzeug, das sich an einem entfernt von der Steuerstelle I liegenden Empfangsort II befindet, über eine Entfernung fernzusteuern, die verhältnismässig gross ist, und ausserdem durch irgendeine Wand oder eine andere Einrichtung von der
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die Fembehandlung von radioaktiven Körpern oder Stoffen benutzt wird : die räumliche Trennung zwischen der Steuerstelle I und der Empfangsstelle n ist in Fig. 2 durch die Ebene P-P angedeutet.
Der Bedienungsmann befindet sich an der Steuerstelle I und betätigt zum Zwecke der Fernsteuerung der Zange p, die er einerseits beliebig im Raum bewegen, anderseits aber auch öffnen und schliessen muss, zwei Steuerorgane, von denen das eine durch einen Handgriff m und das andere durch einen Betätigung- hebel oder ein ähnliches Organ g gebildet wird. Der Handgriff m dient dazu, die räumlichen Bewegungen der Zange zu steuern, wobei diese entweder offen oder auch geschlossen sein kann, während der Betätigungshebel g für das Öffnen und das Schliessen der. Zange bestimmt ist.
Die an der Steuerstelle I angeordneten Organe m und g, welche in der oben erläuterten Weise zur Betätigung dienen, sind Teile eines Kopfes Ti nach Art eines Knie-Drehgelenkes, während an der Empfangsstelle II die Zange p einen Teil eines gesteuerten Kopfes T2 bildet, der in zumindest sehr ähnlicher Weise ausgeführt ist.
In dem Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 1 und 2 sind die beiden Köpfe T, und T2 nach der Erfindung ausgeführt, ihre Einzelteile-bis auf die Organe g, m und p-sind vollkommen symmetrisch In bezug auf die Ebene P-P.
Jeder dieser beiden Köpfe hat-wie an sich bekannt-ein tragendes Gehäuse oder Gerüst, das den gesamten Mechanismus trägt und in diesem Falle beispielsweise ein halboffenes Gehäuse 1 ist, das zwei zueinander parallele, an einem Arm 2 sitzende Wangen aufweist. Die beiden einander in den beiden Köpfen entsprechenden Arme werden von einer nicht dargestellten HaltevorrichtuI1g getragen, über diese Haltevorrichtung laufen Kupplungsverbindungen zwischen den beiden Köpfen, die weiter unten näher beschrieben werden sollen. Diese Haltevorrichtung und die Kupplungsverbindungen sind In Fig. 2 durch die strichpunktierte Linie L versinnbildlicht.
In dem halboffenen Gehäuse 1 jedes der Köpfe ist-wie an sich bekannt-ein schwenkbarer Schenkel 3 um eine Querachse Al - Al bzw. A2 - A2 gelagert, der seinerseits auch die Form eines U-förmigen halboffenen Gehäuses hat, während jedoch bei den bekannten Köpfen der Schenkel 3 durch seine beiden Wangen auf je einem besonderen Zapfen gelagert ist, die ihrerseits koaxial liegen und durch einen grösseren freien Zwischenraum getrennt sind, schwenkt der Schenkel 3 gemäss der vorliegenden Erfindung um eine Schwenkwelle 4, die das halboffene Gehäuse 1 von einer bis zur andern seiner beiden Wangen
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quer durchsetzt.
In der Achse des schwenkbaren Schenkels 3 ist-wie ebenfalls bekannt - ein rohrförmiger Bauteil 5 drehbar um eine Achse Bi-Bi oder Bu - bu drehbar gelagert, die senkrecht zu der Achse Ai-Ai bzw.
Au - au verläuft.
Bei dem Steuerkopf 1ì trägt das rohrförmige Element 5 den Handgriff m und den Betätigungshebel g, während bei dem gesteuerten Kopf T : das entsprechende und homologe Element als Führung für die Zange p dient, auf die eine Feder q im Sinne Ihres Herausdrücken aus dem rohrförmigen Element einwirkt und die sich selbst in dem Masse öffnet, wie sie aus dem Element 5 heraustritt, während sie bei ihrem Zurückziehen in dieses Element geschlossen wird.
Weiterhin sind-in immer noch bekannter Art-Verbindung :- oder Kupplungsmittel vorgesehen, einerseits zwischen den schwenkbaren Schenkeln der beiden Köpfe Tl und T2 und anderseits zwischen den beiden rohrförmigen Elementen 5, die jede Schwenkbewegung des Schenkels 3 in den Steuerkopf Ti, die der Schenkel um die Achse Al - Al ausführt, in eine Schwenkbewegung gleicher Richtung des homologen Schenkels im gesteuerten Kopf Tz (um die Achse A2 - 2) übertragen und ausserdem auch jede Drehung
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drehbar ist, in eine synchrone, im gleichen Sinne erfolgende Drehung genau gleicher Winkel-weite des Zangenträgers des gesteuerten Kopfes Tz, wobei auch hier die Drehung. um die Achse Bz-B : erfolgt.
Die Schwenkungen des Schenkels 3 um seine Schwenkachse Ar. - Al im Kopf T, werden an den homologen Schenkel des gesteuerten Kopfes Tz mit Hilfe eines Seiles 6 bzw. 12 übertragen, das in jedem Kopf über eine Umlenkrolle 7 läuft, die an dem entsprechenden Schenkel 3 befestigt, beispielsweise mit einer Schraube 7a (in Fig. 1 links sichtbar) an ihn angeschraubt ist.
DieDrehungendesrohrförmigenElementes 5 des Kopfes T um die Achse Bj-B werden ihrerseits an das homologe Element des Kopfes Tz in folgender Weise übertragen : jedes Element 5 ist über einen Übertragungsmechanismus mit einer frei drehbar auf dem entsprechenden Zapfen 4 gelagerten Seilscheibe gekuppelt; der Übertragungsmechanismus kann beispielsweise aus einem Zahnritzel 10 bestehen, das am Ende des Elementes 5 angeordnet ist und einem Zahnkranz 11, der seinerseits fest mit der Seilscheibe 9 verbunden ist. Die beiden homologen Seilscheiben der beiden Köpfe stehen über ein endloses Seil 6 bzw. 12 miteinander in Wirkverbindung, das in jedem der Köpfe über eine Umlenkrolle, beispielsweise die Rolle 13, läuft.
Schliesslich ist-in bekannter Weise - der Betätigungshebel g des Kopfes Ti mit der Zange p des Kopfes Tz durch ein Seil 14 verbunden, dessen Endabschnitte in den Achsen B.-Bt und Bz-Bz im Inneren der beiden homologen Elemente 5 liegen.
Wie leicht zu erkennen ist, muss das Seil 14 die Bewegungen des Betätigungshebels g in synchroner Weise und im gleichen Sinne sowie in der gleichen Grösse auf die Zange p übertragen ; die Zange p wird in das Element 5 des Kopfes Tz hineingezogen, wenn sie geschlossen werden soll, indem der Bedienungsmann den Betätigungshebel g in Richtung auf den Handgriff m hin bewegt.
Nun soll aber selbstverständlich die Zange p sich gegenüber dem Element 5, welches die Zange dreht, nicht bewegen, wenn der Bedienungsmann nicht auf den Betätigungshebel g drückt, und zwar ganz unabhängig davon, welche Bewegungen dem Element 5 des Kopfes Tz übermittelt werden, um es zusammen mit seiner Zange p zu bewegen, d. h. die Zange soll gegenüber dem Element 5 in Ruhe bleiben, wenn der Bedienungsmann mit Hilfe des Handgriffes m das Element 5 des Steuerkopfesli in irgendeiner Weise bewegt.
Es ist klar, dass die Drehbewegungen der Elemente 5 um ihre eigenenAchsen Bi-Bi und Bz-Bz keinen Einfluss auf das Seil haben können, weil dieses Seil in Achsenrichtung durch diese Elemente hindurchtritt.
Dagegen sind Massnahmen notwendig, um zu vermeiden, dass die Schwenkbewegungen der Elemente 5 mit ihren Schenkeln 3 um die Schwenkachsen Ai-Ai und Az-Az zu einer Längsverschiebung des Seiles 14 führen können.
Die zu diesem Zweck vorgesehenen Massnahmen stellen zusammen mit der Symmetrie der Köpfe T, und Tz des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles und der Ausbildung der Schwenkwellen 4 als zusammenhängende einstückige Zapfen, die neuen Kennzeichen der vorliegenden Erfindung dar.
In jedem Kopf ist auf der Schwenkwelle 4 zwischen den beiden Treibseilscheiben 7 und 9 eine lose oder frei drehbar auf dieser Welle gelagerte Seilscheibe 15 mit einer einzigen Seilrille vorgesehen, über die das Seil mit einem bestimmten Umschlingungswinkel cl, dl, e1 oder cz, dz, ez läuft, dessen Zentriwinkel veränderlich ist.
An der einen und der andern Seite dieser Seilscheibe 15 sind zwei Führungsvorrichtungen für das Seil 14 vorgesehen.
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drehbar auf einer Achse 17 gelagert ist, welche ihrerseits in einer Wangenhalterung 18 sitzt, die mittels einerPlatte 19 starr mit den entsprechenden schwenkbaren Schenkeln 3 verbunden ist. Diese Seilrolle 16 Ist derart angeordnet, dass der Abschnitt al, bl oder az, b2 des Seiles 14, der axial in dem entsprechenden Element 5 liegt, diese Rolle 16 im Grund ihrer Seilnut tangiert.
Die andere FUhrungsvorrichtung besteht aus einer Seilscheibe 20, die frei drehbar auf einer von dem Gerüst Ides Kopfes getragenen Achse 21 gelagert ist. Diese Seilscheibe 20 ist so angeordnet, dass der Abschnitt f1, gl oder f2, g2 des Seiles, der zwischen dieser Rolle und dem Halterungsarm 2 liegt, in Richtung der Achse dieses Armes verläuft.
Dank dieser Führungsvorrichtungen für das Seil ändern sich die Sellabschnitte el'f1 und e., f., die
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Schwenkungen der Schenkeln 3 um ihre Achse A-A und Az-Az nicht.
Das gleiche gilt für die Abschnitte bl, cl und b ;, c , von denen jeder zwischen der Rolle 16 und der Seilscheibe 15 liegt. Dagegen verändern sich die Umschlingungswinkel c1, d1, e1 und c2, d2, e2 im umgekehrten Sinne aber um gleiche Beträge, so dass das Seil, das sich am Funkte cl von dem Kopf 1i abrollt, und sich an der Stelle e im Kopf T : um einen gleichen Betrag aufwinden, wenn diese Köpfe in Richtung der Pfeile Ei und P :
(oder im umgekehrten Sinne bei entgegengesetzter Bewegung) geschwenkt werden, derart, dass in sämtlichen Fällen ein ganz genauer Ausgleich der Seilabschnitte arbi und a. bz erfolgt, die an den Betätigungshebel g und an die Zange p angeschlossen sind, und die daher keine Lagenänderung erfahren.
In dem Seil tritt infolgedessen keine auch noch so geringe Änderung der Spannung auf und die Zange p bleibt genau in ihrer unveränderlichen Lage gegenüber dem rohrförmigen Element 5, welches diese Zange trägt, wenn während derOrtsveränderungen dieses Elementes und damit der Zange der Betätigungshebel g nicht gegenüber dem Handgriff m bewegt wird.
In Fig. 3 ist eine andere Ausfuhrungsform der Köpfe T1 und T'2 dargestellt. Der führende oder Steuerkopf Ti ist genauso ausgebildet wie in dem Beispiel gemäss Fig. 2 ; der geführte oder gesteuerte Kopf T'2 ist dagegen nicht mehr symmetrisch zu dem Kopf 11 bezogen auf die Ebene Pep. Dieser zweite Kopf hat nun die gleiche Ausrichtung und Anordnung wie der Kopf 11. Lediglich die schwenkbaren Schenkel 3 mit den in ihnen gelagerten Seilrollen 16 sind noch symmetrisch in bezug auf diese Ebene P-P.
DerUmschlingungswinkel c1, b1, e1 des Seiles 14 um die Seilscheibe 15 im Kopf T, hat sich nicht ge- ändert, dagegen ist die Umschlingung cz, b2, e2 der Seilscheibe 15 im Kopf T'g derart, dass das Seil um die Seilscheibe 15 eine praktisch vollständige Windung bildet, wenn die Seilabschnitte b, Cg und e., f, in ihrer gegenseitigen Verlängerung liegen, d. h. der Umschlingungswinkel ist etwa 3600, wenn, wie dargestellt, die beiden Abschnitte zwischen sich einen kleinen Winkel einschliessen.
Es ist ohne weiteres einzusehen, dass die Umlenkorgane 16 und 20 auch in anderer Weise ausgeführt werden könnten als in der Form von frei drehbaren Scheiben oder Rollen, und zwar könnten sie einfache Umlenkachsen sein. In einem solchen Falle würde jedoch eine Reibung des Seiles 14 beim Betätigen der Zange p im Sinne ihres Öffnens oder ihres Schliessens auftreten, während die drehbaren Seilführungen 16 und 20-wie auch die Seilscheibe 15-praktisch jede schädliche Reibung vermeiden und infolgedessen auch jede Gefahr einer raschen Abnutzung des Seiles 14.
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