AT511267B1

AT511267B1 - DRIVE FOR A SWIVEL ARM

Info

Publication number: AT511267B1
Application number: AT18222010A
Authority: AT
Inventors: Jorge M Dipl Ing Dr Bauer; Numan M Dipl Ing Dr Durakbasa; Peter H Dipl Ing Dr Osanna
Original assignee: Univ Wien Tech
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2013-06-15
Also published as: AT511267A1

Abstract

Ein Gelenkantrieb als Schwenkantrieb für einen Roboter, ein künstliches Exoskelett oder eine Maschine. Der Gelenkantrieb weist zwei Zylinder (3, 4) auf in denen sich in gegenläufigem Sinne zwei Kolben (8, 9) bewegen. An jedem Kolben (8, 9) ist das letzte Kettenglied einer Kette (6) angeschlossen, welche das Antriebsritzel (5) umläuft. Die Kette (6) und das Antriebsritzel (5) befinden sich in einem Kettengehäuse, welches gemeinsam mit beiden Zylindern (3, 4) bzw. dessen Zylindergehäusen einen festen Lagerarm für den Schwenkarm oder den Schwenkarm selbst bildet. Die Kette arbeitet als gerade Druckstange im Inneren der Zylinder wobei die Führung zwischen Ritzel und Gegenführung mit einem Führungskugellager (12) erfolgt und dadurch Veränderungen der linearen Kolbenbewegungen auf den rotierenden Gelenkarm überträgt. Dadurch wird eine sehr kompakte, schlanke und leichte Bauweise mit einem sehr hohen Drehmoment und gleichzeitiger reibungsloser Kettenführung verwirklicht.A joint drive as a pivoting drive for a robot, an artificial exoskeleton or a machine. The joint drive has two cylinders (3, 4) in which two pistons (8, 9) move in opposite directions. On each piston (8, 9), the last chain link of a chain (6) is connected, which rotates the drive pinion (5). The chain (6) and the drive pinion (5) are located in a chain housing, which together with two cylinders (3, 4) or its cylinder housings forms a fixed bearing arm for the pivot arm or the swing arm itself. The chain operates as a straight push rod in the interior of the cylinder with the guide between pinion and counter guide with a guide ball bearing (12) and thereby transmits changes in the linear piston movements on the rotating articulated arm. As a result, a very compact, slim and lightweight design with a very high torque and simultaneously smooth chain guide is realized.

Description

§StBi?W»5d»S jäten tarnt AT511 267 B1 2013-06-15§StBi? W »5d» S yats Camouflaged AT511 267 B1 2013-06-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Gelenkantrieb als Schwenkarm, insbesondere für Roboter, künstliche Exoskelette und Maschinen.Description: [0001] The invention relates to a joint drive as a pivoting arm, in particular for robots, artificial exoskeletons and machines.

[0002] Es handelt sich um einen Gelenkantrieb als Schwenkantrieb für einen Roboter, ein künstliches Exoskelett oder eine Maschine. Dieser Gelenkantrieb weist zwei achsparallele Zylinder auf, in denen sich im gegenläufigen Sinne zwei Kolben bewegen. An jedem Kolben ist das letzte Kettenglied einer Kette angeschlossen, welche das Gelenkantriebsritzel umläuft. Die Kette und das Antriebsritzel befinden sich in einem Kettengehäuse, welches gemeinsam mit beiden Zylindern bzw. dessen Zylindergehäusen einen festen Lagerarm zu einem Schwenkarm oder den Schwenkarm selbst ausbildet. Die Kette arbeitet als gerade Druckstange im Inneren des Zylinders und wird zwischen Ritzel und Gegenführung mit Kugellagern geführt wodurch sie die linearen Veränderungen der Kolbenbewegungen auf den rotierenden Gelenkarm überträgt. Dadurch wird eine sehr kompakte, schlanke und leichte Bauweise mit sehr hohen Drehmomenten für die Robotertechnik, bei künstlichen Exoskelette und Maschinen verwirklicht.It is a joint drive as a rotary actuator for a robot, an artificial exoskeleton or a machine. This joint drive has two axially parallel cylinders in which two pistons move in the opposite sense. On each piston, the last chain link of a chain is connected, which rotates the joint drive pinion. The chain and the drive pinion are located in a chain housing, which together with both cylinders or its cylinder housings forms a fixed bearing arm to a pivot arm or the pivot arm itself. The chain operates as a straight push rod inside the cylinder and is guided between pinion and counter guide with ball bearings whereby it transfers the linear changes of the piston movements to the rotating articulated arm. This results in a very compact, slim and lightweight construction with very high torques for robotics, artificial exoskeletons and machines.

[0003] In der Fördertechnik kennt man außenliegende Zylinderanordnungen als Antrieb für Schwenkarme. Derartige Konstruktionen sind raumaufwendig und für den Einsatz in der Robotertechnik nicht gut geeignet und bei künstlichen Exoskeletten nicht brauchbar. In der Robotertechnik kennt man auch Hydromotoren als Antriebseinheiten für Schwenkarme. Derartige Hydromotoren arbeiten mit vergleichsweise geringen Drehmomenten und sind kostenaufwendig. Andere Lösungen die über Kette und Ritzel lineare Bewegungen als Drehmoment generieren und auf den Gelenkarm bringen, sind in Patent DE3304487C1, DE3641802A1, DE3225294A1 und W099/08004 beschrieben.In conveyor technology, external cylinder arrangements are known as drive for pivot arms. Such constructions are space consuming and not well suited for use in robotics and not useful in artificial exoskeletons. In robotics, hydraulic motors are also known as drive units for swing arms. Such hydraulic motors operate with relatively low torques and are expensive. Other solutions which generate linear movements as torque via chain and pinion are described in patent DE3304487C1, DE3641802A1, DE3225294A1 and W099 / 08004.

[0004] Im ersten Dokument, DE3304487, wird die lineare Bewegung von einem Spindeltrieb, der über direkt angekoppelte elektrische Motoren die Zugkraft an das Drehritzel überträgt verursacht. Es entsteht somit, im Vergleich zur dieser Erfindung, eine viel größere und längere Einheit, die im Vergleich auch nur kleinere Drehmomente erzeugen kann und deren Gesamtmasse, am Gelenkarm im Vergleich viel größer ist, da die gesamte Antriebsmotoreinheit auch im Schwenkarm mitgelagert ist und in diesem Sinne inertial bei Roboterarmbewegungen mitbeschleunigt werden muss, was einen zusätzlicher Nachteil bildet.In the first document, DE3304487, the linear movement is caused by a spindle drive, which transmits the traction to the rotary pinion via directly coupled electric motors. It thus arises, compared to this invention, a much larger and longer unit, which can produce only minor torques in comparison and their total mass, the articulated arm in comparison is much larger, since the entire drive motor unit is also stored in the swivel arm and in this Sense inertial must be mitbeschleunigt in robot arm movements, which forms an additional disadvantage.

[0005] I m zweiten Dokument, DE3641802, wird die lineare Bewegung durch Doppelzylinder als Ziehkraft an eine Normalkette übertragen und über diese Kette im Ziehverfahren als Drehmoment an das Ritzel und den Schwenkarm geleitet. Es entsteht somit eine im Vergleich zur beschriebenen Erfindung viel größere und längere Einheit, da dieses System mit normalen Doppelkammerzylindern und Zylinderkolbenstangen arbeitet und die Übertragungskette und die Zylinderstange hintereinander aufgebaut sind und sich nicht wie bei dieser Erfindung überlappen können und somit die Länge verdoppeln. Auch im Vergleich zu der eingereichten Erfindung hat das System DE3641802 ein kleineres Drehmoment bei gleichem Hydraulikdruck und Kolbendurchmesser, da die Kolbenfläche als Kraftfläche in einer Zylinderzugkammer wegen der Kolbenstange beschränkt wird.In the second document, DE3641802, the linear movement is transmitted by double cylinder as a pulling force to a normal chain and passed through this chain in the drawing process as torque to the pinion and the swing arm. This results in a much larger and longer compared to the described invention unit, since this system works with normal double-chamber cylinders and cylinder piston rods and the transmission chain and the cylinder rod are constructed one behind the other and can not overlap as in this invention and thus double the length. Also in comparison with the submitted invention, the system DE3641802 has a smaller torque at the same hydraulic pressure and piston diameter, since the piston surface is limited as a force surface in a Zylinderzugkammer because of the piston rod.

[0006] Im dritten Dokument, DE3225924 wird die lineare Bewegung durch Doppelzylinder als Zieh- und Stosskraft auf eine Kette übertragen und über diese Kette im Zieh- und Stossverfah-ren als Drehmoment an das Ritzel und den Schwenkarm geleitet. Dieses System benötigt aber für die Zylinder-Doppelkammer den Einsatz eines zylindrischen festen Zylinderkolbens da die Kette nicht in den Zylinder einfahren kann. Es entsteht somit auch in diesen Fall eine im Vergleich zur beschriebenen Erfindung viel größere und längere Einheit, da dieses System mit normalen Doppelkammerzylindern und Zylinderkolbenstangen arbeitet und die Übertragungskette und die Zylinderstange hintereinander aufgebaut sind und sich nicht wie bei der eingereichten Erfindung überlappen können und somit die Länge verdoppeln.In the third document, DE3225924 the linear movement is transmitted by double cylinder as a pulling and pushing force on a chain and passed over this chain in the drawing and Stossverfah-ren as torque to the pinion and the swing arm. However, this system requires the use of a cylindrical fixed cylinder piston for the cylinder double chamber because the chain can not enter the cylinder. It thus arises in this case, too much larger and longer compared to the described invention, since this system works with normal double-chamber cylinders and cylinder piston rods and the transmission chain and the cylinder rod are constructed one behind the other and can not overlap as in the submitted invention and thus the Double the length.

[0007] Im vierten Dokument, W099/08004 wird die lineare Bewegung durch Doppelzylinder als Stosskraft an eine Kugelkette übertragen und über diese Kugelkette im Stossverfahren als Drehmoment an das Ritzel und den Schwenkarm geleitet. Dieses System benötigt aber, dass 1 /13In the fourth document, W099 / 08004, the linear movement is transmitted by double cylinder as a shock to a ball chain and passed over this ball chain in the shock process as torque to the pinion and the arm. However, this system requires that 1/13

Merreäsissts psfesiawt AT511 267B1 2013-06-15 die Kugelkette ständig im inneren des Stosszylinders und in der Kugelkettenritzelführung über direktes Gleiten unter Reibung geführt wird, da sie sonst knickt. Es entsteht somit auch in diesem Fall im Vergleich zur beschriebenen Erfindung ein viel größerer Reibungsverlust an den Wänden des Stosszylinders und an der Kugelkettenführungsbahn, die die Energieübertragungseffizienz sehr stark verringert. Da nicht wie bei dieser eingereichten Erfindung im Kolben die Kette eine kontaktlose Stosskraft übertragen kann und in der Ritzelführung über Kugellager eine praktisch energieverlustfreie Kraftübertragung ermöglicht, ist die Effizienz dieses System sehr gering.The ball chain is constantly guided inside the jack cylinder and in the ball chain pinion guide via direct sliding under friction, otherwise it kinks. Thus, in this case as well, in comparison to the described invention, a much greater friction loss occurs on the walls of the jack cylinder and on the ball chain guide track, which greatly reduces energy transmission efficiency. Since not as in this submitted invention in the piston, the chain can transmit a contactless impact force and in the pinion guide via ball bearings a virtually energy loss-free power transmission allows the efficiency of this system is very low.

[0008] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Gelenkantrieb für einen Schwenkarm, insbesondere für Roboter und bei künstlichen Exoskeletten der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der sich durch eine einfache, funktionsgerechte, schlanke und sehr kompakte Bauweise auszeichnet, darüber hinaus zur Übertragung hoher Drehmomente geeignet ist und der im Vergleich mit bekannten Motorgelenkantrieben auch noch eine viel geringere Trägheitsmasse am Gelenkarm besitzt und somit leichter beschleunigt und gebremst werden kann.The invention is therefore an object of the invention to provide a joint drive for a swivel arm, especially for robots and artificial exoskeletons of the type described above, which is characterized by a simple, functional, slim and very compact design, beyond for transmission high torques is suitable and in comparison with known motor joint drives also has a much lower inertial mass on the articulated arm and thus can be more easily accelerated and slowed down.

[0009] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below.

[0010] Zeichnung 1 zeigt den kompletten Gelenkaufbau als Baukonzept und Bau einheit.Drawing 1 shows the complete joint structure as a construction concept and construction unit.

[0011] Zeichnungen 2, 3 und 4 zeigen das gesamte Baukonzept mit den inneren Bestandteilen der Spezialkette und des Antriebsritzels.Drawings 2, 3 and 4 show the entire construction concept with the inner components of the special chain and the drive pinion.

[0012] Zeichnung 5 [0013] Zeichnung 6 [0014] Zeichnung 7 [0015] Zeichnung 8 [0016] Zeichnung 9 zeigt die Spezialkette im geraden Zustand im Inneren des Zylinders und in der Umschließung des Ritzels in der oberen Kurvenführung. zeigt alle Seitenansichten auf die Spezialkette als zusammengebaute Einheit. zeigt die Spezialkette in der Umschließung des Ritzels mit ihren Kugellagern und der Führungsbahn. zeigt die Spezialkette in der Umschließung des Ritzels mit Detail auf die Kugellager der Spezialkette für die gleitende Kurvenführung. zeigt die Spezialkette mit ihren Bestandteilen von kompakten und formstabilen Teilen und mit Detail auf die Kugellagermontage zur gleitenden Kurvenführung.Drawing 5 Drawing 6 Drawing 7 Drawing 8 Drawing 9 shows the special chain in the straight state in the interior of the cylinder and in the enclosure of the pinion in the upper curve guide. shows all the side views on the special chain as an assembled unit. shows the special chain in the enclosure of the pinion with its ball bearings and the guideway. shows the special chain in the enclosure of the pinion with detail on the ball bearings of the special chain for the sliding curve guide. shows the special chain with its components of compact and dimensionally stable parts and with detail on the ball bearing mounting for sliding curve guidance.

[0017] In den Zeichnungen ist ein Antrieb für einen Gelenkschwenkarm 2 als Arbeitsgliedarm und zwar mit einer Zylinderkolben 3, 4 auf einem Kettengehäusearm 1 angeordnet. Der Gelenkantrieb weist zwei Zylinder 3, 4 auf, die achsparallel montiert sind und mit sich bewegenden, gegenläufigen Kolben 8, 9 arbeiten. Die Kolben 8, 9 sind an beiden Enden der Kette 6 befestigt. Die Kette 6 umläuft auch das Antriebsritzel 5. Das Antriebritzel 5 ist in dem Kettengehäusearm 1 drehbar gelagert. Der Hydraulik- oder Fluiddruck des Kolbens 8 wird auf die Kette 6 als Stoßkraft übertragen und von der Kette 6 auf das Antriebsritzel 5 weitergeleitet, welches sich in fester Verbindung mit dem Gelenkarm 2 befindet und diesen in eine Drehbewegung mit entsprechendem Drehmoment versetzt. Die Kette 6 besteht im Wesentlichen aus einer Reihe von drei Komponenten: ein linkes Spezialkettenglied 10, ein rechtes Spezialkettenglied 11 und ein Führungskugellager 12. Im Inneren der Zylinder 3, 4 bewegt sich die Kette 6 gerade, da diese nur in eine Richtung einen Biegefreiheitsgrad erlaubt und somit praktisch als gerade Druckstange arbeitet und die gesamte Kolbenkraft des Kolbenzylinders aufnehmen und übertragen kann. Dann umschließen die Kettenglieder 10, 11 das Antriebsritzel 5 und werden zwischen Antriebsritzel 5 und Führungsbahn 7 genau und spielfrei geführt, so dass sie bei ihrer gleitenden Bewegung, die Drehbewegung beziehungsweise das Drehmoment erzeugen. 2/13In the drawings, a drive for a Gelenkschwenkarm 2 is arranged as Arbeitsgliedarm namely with a cylinder piston 3, 4 on a Kettengehäusearm 1. The joint drive has two cylinders 3, 4, which are mounted axially parallel and work with moving, opposing pistons 8, 9. The pistons 8, 9 are attached to both ends of the chain 6. The chain 6 also rotates the drive pinion 5. The drive pinion 5 is rotatably mounted in the Kettengehäusearm 1. The hydraulic or fluid pressure of the piston 8 is transmitted to the chain 6 as an impact force and forwarded by the chain 6 to the drive pinion 5, which is in fixed connection with the articulated arm 2 and this is set in a rotational movement with corresponding torque. The chain 6 essentially consists of a series of three components: a left special chain link 10, a right special chain link 11 and a guide ball bearing 12. Inside the cylinders 3, 4, the chain 6 moves straight because it allows a degree of bending freedom in only one direction and thus practically works as a straight push rod and can absorb and transmit the entire piston force of the piston cylinder. The chain links 10, 11 then surround the drive pinion 5 and are guided precisely and without play between the drive pinion 5 and the guide track 7, so that they produce the rotational movement or the torque during their sliding movement. 2.13

§StBi?W»Sd»S fetenEawt AT511 267 B1 2013-06-15 [0018] In Rahmen dieser Erfindung ist das Antriebsritzel 5 im Kettengehäusearm 1 drehbar gelagert und über eine mechanische Achse am Gelenkschwenkarm 2 befestigt. Das erfundene System erlaubt auch, dass sich der Gelenkschwenkarm 2 über 360° Winkelgrade schwenken und drehen lässt. Der Gelenkantrieb mit seiner sehr kompakten Bauweise und mit seinem sehr großen Drehmoment lässt sich somit in Gelenksarmen von Robotern oder künstlichen Exoske-letten günstig einbauen und arbeitet sozusagen analog zum Prinzip eines natürlichen Gelenks mit Muskeln.In the context of this invention, the drive pinion 5 is rotatably mounted in the chain housing arm 1 and fastened to the articulated pivot arm 2 via a mechanical axis. The invented system also allows the articulating arm 2 to pivot and rotate through 360 ° degrees. The articulated drive with its very compact design and with its very high torque can thus be conveniently installed in articulated arms of robots or artificial exoskeletons and works as it were analogous to the principle of a natural joint with muscles.

[0019] Bei wechselndem Hydraulik- oder Fluiddruck in jeder der beiden Zylinderkammern ändert sich die Drehrichtung des Gelenksarms. Die Drehwinkelgeschwindigkeit und das Drehmoment des Schwenkarms 2 sind im linearen Verhältnis zur Fluidgeschwindigkeit und des Fluiddrucks und vereinfachen somit die Steuerung des Gelenkantriebs. 3/13With changing hydraulic or fluid pressure in each of the two cylinder chambers, the direction of rotation of the joint arm changes. The rotational angular velocity and torque of the swing arm 2 are in linear proportion to the fluid velocity and the fluid pressure, thus simplifying the control of the joint drive. 13.3

Claims

Claims 1. Articulated drive for a swivel arm with two individual, axially parallel cylinders (3, 4), mounted on a chain housing arm (1), each with its own counterparts a piston (8, 9) per cylinder (3, 4), which move in opposite directions and by a chain (6), which serves as a pressure axis, and a pivot bearing, and with a drive pinion (5), which in combination with the chain guide (7) serves to generate a torque, characterized in that the pistons (8, 9) are connected directly to the chain (6) and that the chain (6) through the cylinder liner inner wall of the respective cylinder (3, 4) at a pressurization is performed, wherein the chain (6) acts as a rigid push rod and forwards the linearly applied compressive force in Zylinderachsrichtung.

2. Claim 2: joint drive according to claim 1, characterized in that the outwardly, in the direction of the inner race of the chain guide (7), oriented sides of the chain links (10, 11) of the chain (6) has an outwardly convex, chain link top having.

3. claim 3: joint drive according to claim 2, characterized in that each chain link (10, 11) on the inside above a bolt hole each having a guide ball bearing (12) which is placed so that it with the outermost contour of its tread over the convex curved chain link top of a chain link protrudes, wherein the right (10) and left (11) chain links are assembled alternately into a chain strand. For this 9 sheets drawings 4/13