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Antriebsmechanismus nach Art eines menschlichen
Armes für ferngesteuerte Manipulatoren
Die Erfindung betrifft einen Antriebsmechanismus nach Art eines menschlichen Armes für ferngesteuerte Manipulatoren mit Schwenk- und Drehteilen, wobei zum Antrieb mindestens eines dieser Teile ein Planetenuntersetzungsgetriebe vorgesehen ist und als Antriebsmotoren Schnelläufermotoren Verwendung finden. Das Hauptkennzeichen liegt darin, dass für den Antrieb des SchultergelenkeseineSchwenk- achse als eine von der Antriebswelle durchsetzte Hohlwelle ausgebildet ist, wobei an einem Ende das
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in Form einer Reibungsüberlastungskupplung für die durchlaufende Antriebswelle trägt.
Nach einem weiteren Kennzeichen der ! Bindung ist zwischen Motor und Kupplung ein weiteres Untersetzungsgetriebe angeordnet.
Die Konstruktion dieses erfindungsgemässen Antriebsmechanismus ist äusserst kompakt und somit sehr platzsparend. Der hochtourige Motor ist innerhalb eines Rahmens angeordnet, der auch die verschiedenen Getriebe und Kupplungsteile trägt. Die Antriebs- und Abtriebswellen liegen ineinander. Die genannte Konstruktion ermöglicht die Verwendung eines hochtourigen und somit leistungsfähigen Motors, wobei durch eine stärkere Untersetzung auch entsprechend langsame Rotations- oder Schwenkbewegungen der zu steuernden Teile ermöglicht sind. Dieser Antriebsmechanismus ist fernerhin äusserst leicht und betriebssicher.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in einer Ausführungsform beispielsweise dargestellt.
Es zeigen :
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Manipulatorarms, Fig. 2 eine Ansicht auf den gelenkigen Verbindungspunkt oder die Schulter des Manipulators gemäss Fig. 1, Fig. 3 einen Teilschnitt des Differentialuntersetzungsgetriebes mit koaxialen Eingangs- und Ausgangswellen und Fig. 4 einen Teilschnitt längs der Linie 4-4 aus Fig. 3.
Nach Fig. 1 wird ein Manipulator 11 mit einer gelenkigen Schulter 10 dargestellt. Die funktionellen Details des Manipulators 11 werden nicht aufgezeigt, da der Manipulator 11 dazu dient, eine Ausführungsart zur Darstellung der Wirkung des gelenkigen Verbindungspunktes oder der Schulter 10 in einem Manipulator zu zeigen.
Der Manipulator 11 wird durch eine Hauptunterstützungseinheit 12 getragen, die auf Stützstangen 13 beweglich angeordnet ist. Die Energie für den Manipulator wird von einer Energiequelle 14 geliefert, die durch ein Kabel 15 zu den verschiedenen (nicht dargestellen) Erregungsmitteln geleitet wird, die innerhalb des Manipulators 11 zum Herstellen der bekannten möglichen Bewegungen dient. Die Hauptteile des Manipulators 11 sind folgende : Ausstreckbar-zusammenziehbarer (teleskopartiger) Teil 16 ; drehbare Verbindungseinheit 17, Schulter 10 (welche hienach im Detail beschrieben werden wird), Oberarm 18, Ellbogen 19, Unterarm 20, Handgelenk 21 und Greiffinger oder Hand 22.
Als Beispiel der Manipulatorbewegungen kann der Manipulator 11 betätigt werden, um den teleskopartigen Teil 16 auszustrecken oder zurückzuziehen, wel-
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cher durch die Einheit 12 unterstützt wird, welche entlang Stangen 13 angeordnet sein kann.
Die drehbare Einheit 17 kann den Rest des Manipulators um eine Achse, die durch die Schulter 10, die Einheit 17 und den Teil 16 hindurchgeht, hin-und herbewegen. Die Schulter 10 ist motorisch ange- trieben, um den Oberarmteil 18 um 1800 zu schwenken. Das Ellbogengelenk 19 wird ebenfalls motorisch angetrieben, um den Unterarm 20 zu schwenken. Der Unterarm 20 weist ein (nicht dargestelltes) Mittel auf, um am Handgelenk 2. 1 eine Handgelenkdrehung zu bewirken. Geeignete (nicht dargestellte) Mittel sind ebenso im Unterarm enthalten, um die Greiffinger 22 zu betätigen.
Bei der besonderen Beschreibung der Schulter oder der gelenkigen Verbindung 10, wie sie in den
Fig. l, 2 und 3 offenbart wird, weist die Schulter 10 einen Hauptrahmen 23 auf, der an der drehenden
Einheit 17 des Manipulators 11 angebracht ist. Ein hochtouriger Gleichstrommotor 24 mit geringem Dreh- moment ist beispielsweise in einer Öffnung 25 eines Rahmens 23 angebracht und wird von der Energie- quelle 14 über Drähte 18 innerhalb des Manipulators 11 erregt. Der Hauptrahmen 23 weist gelenkig ge- stützte Glieder 26 auf, welche ausgebohrt und ausgespart sind, um die Kraftabgabewelle 27 und das
Hauptlager 28 aufzunehmen. Ebenso befinden sich an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 23 ein
Schleifkupplungsgehäuse 29 und ein Differentialuntersetzungsgetriebegehäuse 30.
Die Gehäuse 29 und 30 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der gelenkigen Verbindung 10, um eine ausgeglichene, kompakte Konstruktion zu schaffen.
Wie bereits oben erwähnt wurde, besteht die Schulter oder der gelenkige Verbindungspunkt 10 aus einem treibenden Teil und einem getriebenen Teil. Der treibende. Teil weist einen Motor 24, ein
Schleifkupplungsgehäuse 29 und ein Differentialgetriebegehäuse 30 auf. Der getriebene Teil besteht aus einem gelenkigen Glied 31, welches eine Scheibe 32 und einen Körperteil 33 aufweist. Der getriebene
Teil wird durch einen Keil 50 mit dem treibenden Teil verbunden, welcher den gelenkigen Teil 31 da- zu bringt, mit der Drehung der Ausgangswelle 27 mitzudrehen.
Während der Betätigung wird die gelenkige Verbindung oder Schulter 10 durch den Motor 24 erregt, um die Welle 35 zu drehen, welche die Zahnräder 36 und die eingreifenden Zahnräder 37 antreibt. Die gegenüberliegenden Flächen des Zahnrades 37 stehen in Verbindung mit den Schleifkupplungsscheiben 38 und 39, wobei die Kupplungsscheibe 38, an der Eingangswelle 40 angebracht ist. Druck wird auf die Kupplungsscheiben 38 und 39 durch eine ausspannende Druckeinheit 51 aufgebracht, welche einen (nicht dargestellten) Federteil umfasst. Die Anwendung von Druck auf die Scheiben stellt einen ausreichenden Reibungskontakt zwischen den Kupplungsscheiben 28, 39 und den Zahnrädern 37 her, so dass die Drehung der Zahnräder 37 die Eingangswelle 40 dazu bringt, sich zu drehen.
Die Eingangswelle 40 erstreckt sich von dem Inneren des Schleifkupplungsgehäuses 29 durch die Öffnung 41 der Welle 27, die im Durchmesser grösser ist als die Eingangswelle, zu dem Inneren oder Differentialgetriebegehäuse 30. Die Welle 40 ist in Lagern 42 drehbar gelagert. Gemeinsam mit dieser Eingangswelle und innerhalb des Differentialgetriebegehäuses, befindet sich das Sonnenrad 43. Das Sonnenrad 43 wird vom Planetenzahnradkäfig 44 umgeben, welcher drei selbst zentrierende Planetendifferentialzahnräder 45 aufweist, die auf Achsen 46 drehbar sind, die ihrerseits im Käfig 44 befestigt sind. Jedes Planetenrad besitzt zwei Zahnradteile 45a und 45b.
In Fig. 3 und 4 wird der Ausgangsteil 45a gezeigt, der einen kleineren Durchmesser als der Eingangszahnradteil45b hat, und sobald er im Eingriff mit dem Eingangs- und Ausgangszahnkranz 47 und 48 angetrieben wird, ergibt sich im Zahnkranz 48 eine Geschwindigkeitsuntersetzung. Solche Differentialplanetengetriebe sind bekannt und es ist ebenso bekannt, dass die Differentialgeschwindigkeitsuntersetzung durch Anwendung einer geringeren Anzahl von Zähnen auf einem Planetenzahnradteil gegenüber dem andern hergestellt werden kann. Der Zahnkranz 47 ist auf dem Differentialgetriebegehäuse 30 durch Schrauben 52 angebracht. Der Zahnkranz48. welcher als Ausgangszahnrad bezeichnet werden kann, steht im Eingriff mit dem Zahnradteil 45a des Planetenzahnrad. 1-5 und wird hiedurch gedreht.
Ein Drehkreuz 49 ist mit dem Zahnkranz 48 verbunden und zur Ausgangswelle 27 in bekannter Weise kerbverzahnt. So dreht die Drehung des Zahnkranzes 48 gleichzeitig das Drehkreuz 49 um die Ausgangswelle 27 in Drehung zu versetzen.
Der Antriebsteil der Schulter oder der gelenkigen Verbindung 10 ist somit beschrieben worden, nun soll der getriebene Teil beschrieben-werden.
Das angelenkte Glied 32 ist an der Ausgangswelle 27 durch einen Keil 50 gesichert. So ergibt sich bei erregtem Motor 24 aus der Drehung der Eingangswelle 40 durch die Differentialuntersetzung, wie oben beschrieben, eine verminderte Umdrehung pro Minute an der Ausgangswelle 27, um das angelenkte Glied 32 in Stellung zu bringen oder es um die gelenkige Achse der Schulter 10 herumzulegen.
Der Aufbau der angelenkten Verbindung oder Schulter 10 weist ein differentialzahnradgetriebenes Gelenk oder Antriebsmittel auf, welches zur Hin-und Herbewegung oder Drehung dieses Teils des Manipulators
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fähig ist, welcher nach Erregung des Motors 24 mit dem gelenkigen Teil 31 verbunden ist. Eine solche motorgetriebene gelenkige Verbindung 10 ermöglicht, dass der Oberarm, der Unterarm und die Hand einer Last ausgesetzt wird, wobei ausreichende Kraft vorhanden ist, um die Last von einer vertikalen zu einer horizontalen Stellung anzuheben.
Sollte die Last für die zur Verfügung stehende Kraft an der angelenkten Verbindung oder Schulter 10
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PATENTANSPRÜCHE ; l. Antriebsmechanismus nach Art eines menschlichen Armes für ferngesteuerte Manipulatoren mit Schwenk- und Drehteilen, wobei zum Antrieb mindestens eines dieser Teile ein Planetenuntersetzungsgetriebe vorgesehen ist und als Antriebsmotoren Schnelläufermotoren Verwendung finden, dadurch gekennzeichnet, dass für den Antrieb des Schultergelenkes (10) eine Schwenkachse als eine von der Antriebswelle (40) durchsetzte Hohlwelle (27) ausgebildet ist, wobei an einem Ende das Planetenuntersetzungsgetriebe (43-45) angeordnet ist, während vorzugsweise das andere Ende eine Kupplung (38,39) z. B. in Form einer Reibungsüberlastungskupplung für die durchlaufende Antriebswelle trägt.