CH684686A5

CH684686A5 - Robot with direct drive system.

Info

Publication number: CH684686A5
Application number: CH310491A
Authority: CH
Inventors: Rico Ursin Ruffner; Arno Ruffner
Original assignee: Rico Ursin Ruffner
Priority date: 1991-10-24
Filing date: 1991-10-24
Publication date: 1994-11-30
Also published as: EP0564617A1; AU2765892A; WO1993007997A1

Description

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CH 684 686 A5 CH 684 686 A5

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft einen Roboter mit direktem Antriebssystem, dessen zwei Hauptantriebssysteme derart miteinander verbunden sind, dass sie zusammen ein bewegliches Parallelogramm bilden. Dieses Parallelogramm besteht aus zwei Gelenksystemen, welche jeweils aus zwei durch ein Gelenk verbundenen Armen bestehen. Ein solches Gelenksystem ist mit dem einen Armende fest mit dem Rotor des Antriebsmotors verbunden und am anderen Ende mit dem Ende des zweiten Gelenksystems zu einem Endgelenk vereint. Ein wesentliches erfinderisches Merkmal besteht nun darin, dass die beiden Gelenksysteme des Parallelogramms absolut identisch sind und spiegelbildlich in der Motorachse und im Endgelenk beweglich zusammengefügt sind. Ein weiterer Vorteil, welcher aus der spiegelbildlichen oder symmetrischen Anordnung der beiden Antriebssysteme resultiert, ist darin zu sehen, dass die beiden Statoren der Antriebsmotoren fest mit den Enden einer Standsäule verschraubt sind, welche ihrerseits mit der Grundplatte des Roboters verbunden ist. Wenn diese Standsäule als Rohr ausgebildet ist, so können Energie- und Steuerleitungen durch diese Säule an den am oberen Ende an seinem Stator festgeschraubten Motor geführt werden. Der am unteren Ende an seinem Stator festgeschraubte Motor kann von unten direkt versorgt werden. Der Roboter kann aus diesem Grund beliebig um seine Hauptachse rotieren, ohne durch Energie- und Steuerleitungen in seiner Drehfähigkeit eingeschränkt zu sein, wie es üblicherweise bei ähnlichen Ausführungen der Fall ist. Die beschriebene Motorenanordnung, bei der die Rotoren direkt an die Roboterarme angeschraubt sind, ergibt den absolut direktesten Antrieb eines Roboters ohne jegliche Transmissionsglieder und demzufolge einen absolut spielfreien Antrieb und bestmögliche Positionierung der Endeffektoren. Ein weiteres positives Merkmal dieser Motorenanordnung ist dadurch gegeben, dass die zu bewegende Robotermasse nicht zusätzlich durch die Motoren belastet ist, was bei üblicher Anordnung der Motoren peripher in den Gelenken der Armenden der Fall ist. Die am Endgelenk anzubringenden Endeffektoren wie Werkzeuge, Greifer oder solche anderer Art, müssen unter Umständen in ihrer vertikalen als auch in der Winkelposition um die Endgelenkachse bewegt und positioniert werden können. Eine oder beide Funktionen werden durch je einen dritten und vierten Motor ausgeführt. Damit der Grundsatz der vollen Roboterbeweglichkeit ohne Einschränkung durch Energie- und Steuerkabel zu diesen zusätzlichen Motoren erhalten bleibt, ist ein im Roboterinneren und zwar in der Standsäule und im Arminneren sowie in den Gelenken angeordnetes Antriebssystem angebracht. Das besondere erfinderische Merkmal dieser Antriebssysteme besteht darin, dass die Motoren an der Stelle angebracht sind, wo sie fest mit der Grundplatte verbunden werden können und somit sich selbst bei Bewegung des Roboters nicht bewegen. Das eine System treibt eine Büchse im Endgelenk an, an die Elemente für eine Vertikalbewegung wie z.B. eine Kugelumlaufspindel oder ähnliche Elemente der Endeffektoren angebracht und dadurch angetrieben werden. Das andere System treibt eine andere Büchse im Endgelenk an, welche die Orientierung und Positionierung möglicher Endeffektoren um die Endgelenkachse gewährleisten kann. Die Erfindung wird nun anhand eines ausgeführten Beispiels beschrieben, wobei Bezug auf die Zeichnungen genommen wird. Es zeigt: The invention relates to a robot with a direct drive system, the two main drive systems of which are connected to one another in such a way that they together form a movable parallelogram. This parallelogram consists of two joint systems, each consisting of two arms connected by a joint. Such an articulation system is firmly connected to the rotor of the drive motor with one arm end and is combined at the other end with the end of the second articulation system to form an end articulation. An essential inventive feature now consists in the fact that the two joint systems of the parallelogram are absolutely identical and are movably joined together in mirror image in the motor axis and in the end joint. Another advantage that results from the mirror-image or symmetrical arrangement of the two drive systems can be seen in the fact that the two stators of the drive motors are firmly screwed to the ends of a pedestal, which in turn is connected to the base plate of the robot. If this pillar is designed as a tube, power and control lines can be routed through this pillar to the motor screwed to its stator at the upper end. The motor, which is screwed to its stator at the bottom, can be supplied directly from below. For this reason, the robot can rotate freely around its main axis without being restricted in its ability to rotate by energy and control lines, as is usually the case with similar designs. The motor arrangement described, in which the rotors are screwed directly onto the robot arms, results in the absolutely most direct drive of a robot without any transmission elements and consequently an absolutely backlash-free drive and the best possible positioning of the end effectors. Another positive feature of this motor arrangement is that the robot mass to be moved is not additionally loaded by the motors, which is the case in the usual arrangement of the motors peripherally in the joints of the arm ends. The end effectors to be attached to the end joint, such as tools, grippers or other types, may have to be able to be moved and positioned in their vertical as well as in the angular position around the end joint axis. One or both functions are performed by a third and fourth motor. In order to maintain the principle of full robot mobility without restriction by means of power and control cables to these additional motors, a drive system is installed inside the robot, namely in the pillar and inside the arm as well as in the joints. The special inventive feature of these drive systems is that the motors are mounted at the point where they can be firmly connected to the base plate and thus do not move even when the robot is moving. One system drives a bushing in the end joint to which elements for vertical movement, e.g. a ball screw or similar elements of the end effectors are attached and thereby driven. The other system drives another sleeve in the end joint, which can ensure the orientation and positioning of possible end effectors around the end joint axis. The invention will now be described by way of an example, with reference being made to the drawings. It shows:

Fig. 1 eine Ansicht eines Roboters mit den Antriebsmotoren und den beiden Armgelenksystemen und einem möglichen Endeffektor. Fig. 1 is a view of a robot with the drive motors and the two arm joint systems and a possible end effector.

Fig. 2 eine Draufsicht des Roboters, insbesonders die Gelenksysteme zeigend. Fig. 2 is a plan view of the robot, in particular showing the joint systems.

Fig. 3 einen teilweisen Aufriss des Antriebsteils mit der Motorenanordnung, die Grundplatte und die Standsäule, sowie den inneren Antrieb. Fig. 3 is a partial elevation of the drive part with the motor assembly, the base plate and the pillar, and the internal drive.

Fig. 4 einen Schnitt durch ein Armgelenk des Armgelenksystems. Fig. 4 shows a section through an arm joint of the arm joint system.

Fig. 5 einen Schnitt durch das Endgelenk mit den angetriebenen Endeffektoren-Büchsen. Fig. 5 shows a section through the end joint with the driven end effector bushings.

Die Fig. 1 stellt den Roboter in seiner Ganzheit dar, insbesonders wird die symmetrische Anordnung der beiden Motoren 5 und der Gelenksysteme 1, 2 deutlich. Das ganze System wird mittels Grundplatte 14 auf eine Unterlage geschraubt. Am äusseren Endgelenk ist schematisch ein Endeffektor 32 mit oberer Spindel 33 und unterer Geradführung 34 eingezeichnet. Fig. 1 shows the robot in its entirety, in particular the symmetrical arrangement of the two motors 5 and the joint systems 1, 2 is clear. The entire system is screwed onto a base by means of base plate 14. An end effector 32 with an upper spindle 33 and a lower straight guide 34 is shown schematically on the outer end joint.

Die Fig. 2 zeigt das Robotersystem von oben, und insbesonders sind mittels Pfeilen die Bewegungsrichtungen der Elemente angedeutet. 2 shows the robot system from above, and the directions of movement of the elements are indicated in particular by means of arrows.

Die Fig. 3 zeigt im mittleren Riss, wie die Arme 1 der beiden Gelenkarmsysteme mittels der Schrauben 6 an die Rotoren der Motoren 5 befestigt sind und dadurch um die Achse A2 in Drehung versetzt werden können. Die Arme 1 sind schalenartig ausgebildet, sodass im Inneren Raum für die Zahnriemenantriebe, welche später beschrieben werden, vorhanden ist. Die Standsäule 13 ist am oberen Ende durch Schrauben, die nur durch deren Mittellinie angedeutet sind, mit dem Flansch 11 verschraubt und dieser mit Schrauben 9 an den Stator des ersten Motors 5 verschraubt. Das untere Ende der Standsäule 13 ist gleich wie oben, jedoch an den Flansch 12 und dieser an die Grundplatte 14 und an den Stator des zweiten Motors 5 verschraubt. Die Platte 35 trägt die für die inneren Antriebssysteme vorgesehenen Motoren 19 mit den Ritzeln 20. Diese Platte ist mittels Abstandhaltern 36 und entsprechenden Schrauben an den Flansch 12 und an die Grundplatte 14 angebracht. Die Ritzel 20 treiben über Zahnriemen 21 und Ritzel 24 die Achse 23 an, welche durch die Lager 22 in den Flansch 11 und 12 drehbar gelagert ist. Das Ritzel 25, welches mittels Stiften mit der Achse 23 verbunden ist, treibt durch eine Öffnung in der Standsäule 13 das innen und aussen verzahnte Zahnrie-menpoulie 27, welches mittels der Lager 26 um die Standsäule 13 drehen kann. Das Poulie 27 ist Antrieb für den Zahnriemen 28, welcher im Inneren des Armes 1 angeordnet ist. 3 shows in the middle crack how the arms 1 of the two articulated arm systems are fastened to the rotors of the motors 5 by means of the screws 6 and can thereby be set in rotation about the axis A2. The arms 1 are cup-shaped, so that there is space inside for the toothed belt drives, which will be described later. The support column 13 is screwed to the flange 11 at the upper end by screws, which are only indicated by the center line thereof, and this is screwed to the stator of the first motor 5 with screws 9. The lower end of the column 13 is the same as above, but screwed to the flange 12 and this to the base plate 14 and to the stator of the second motor 5. The plate 35 carries the motors 19 provided for the internal drive systems with the pinions 20. This plate is attached to the flange 12 and to the base plate 14 by means of spacers 36 and corresponding screws. The pinions 20 drive the axis 23 via toothed belt 21 and pinion 24, which is rotatably supported by the bearings 22 in the flange 11 and 12. The pinion 25, which is connected to the axle 23 by means of pins, drives the toothed belt mechanism 27, which is toothed on the inside and outside, through an opening in the pillar 13 and which can rotate about the pillar 13 by means of the bearings 26. The poulie 27 is the drive for the toothed belt 28, which is arranged in the interior of the arm 1.

Am oberen Ende des Aufbaues ist ein Deckel 36 angebracht, welcher die Motorenzuleitungen (nicht At the upper end of the structure, a cover 36 is attached, which (not

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eingezeichnet) schützt, die durch zwei Schutzrohre 15 von unten an den oberen Motor geführt werden. shown) protects, which are guided through two protective tubes 15 from below to the upper motor.

Das in Fig. 4 im Schnitt dargestellte Armgelenk zeigt einerseits die Armlagerung der Arme 1 und 2 und andererseits den inneren Zahnriementrieb im Gelenk. Der Arm 1 ist mittels Schrauben 37 an Flanschbuchse 38 geschraubt und diese durch die Lager 3 und 4 mit dem Bolzenflansch 39 drehbar verbunden. Der Bolzenflansch 39 ist andererseits durch die Schrauben 37 fest mit dem Arm 2 verbunden, so dass sich dieser um die Achse A1 frei drehen kann. Der Zahnriemen 28 dreht ein doppeltes Pouliesystem 30, das lediglich aus Montagegründen aus verschiedenen Teilen zusammengesetzt ist, mit Hilfe der Lager 29 um die Flanschbüchse 38 und somit auch um die Achse A1. Die obere Verzahnung des Poulies 30 treibt einen weiteren Zahnriemen 31 an, welcher im Inneren von Arm 2 angeordnet ist. The arm joint shown in section in FIG. 4 shows on the one hand the arm support of the arms 1 and 2 and on the other hand the inner toothed belt drive in the joint. The arm 1 is screwed to the flange bushing 38 by means of screws 37 and these are rotatably connected to the bolt flange 39 by the bearings 3 and 4. On the other hand, the bolt flange 39 is firmly connected to the arm 2 by the screws 37, so that the arm 2 can rotate freely about the axis A1. The toothed belt 28 rotates a double pool system 30, which is composed of different parts only for reasons of assembly, with the aid of the bearings 29 around the flange bushing 38 and thus also about the axis A1. The upper toothing of the pouly 30 drives a further toothed belt 31, which is arranged in the interior of arm 2.

Der in Fig. 5 dargestellte Schnitt durch das Endgelenk zeigt einerseits die gemeinsame Lagerung der beiden Arme 2 und andererseits die Anordnung der beiden Antriebsbüchsen 18 für die möglichen Endeffektoren. Die beiden Arme 2 sind durch die Lager 7 mit der gemeinsamen Lagerbüchse 8 drehbar verbunden, so dass sie frei um die Achse A3 drehen können. Der Zahnriemen 31 treibt jeweils die Büchse 18 an. Diese ist mit Lager 16 und 17 sowie einem fest mit ihr verbundenen Zahnritzel versehen und kann somit frei um Achse A3 rotieren. Für die Aufnahme von möglichen Endeffektoren sind entsprechende Schraubenlöcher im Schraubenkreis von Schraube 40 vorgesehen. The section through the end joint shown in FIG. 5 shows on the one hand the common mounting of the two arms 2 and on the other hand the arrangement of the two drive bushes 18 for the possible end effectors. The two arms 2 are rotatably connected to the common bearing bush 8 by the bearings 7, so that they can rotate freely about the axis A3. The toothed belt 31 drives the sleeve 18 in each case. This is provided with bearings 16 and 17 and a pinion firmly connected to it and can thus rotate freely about axis A3. Corresponding screw holes are provided in the screw circle of screw 40 to accommodate possible end effectors.

Claims

1. Robot containing two joints (Fig. 4), each with two arms, (1, 2) which by means of bearings (3, 4) about an axis perpendicular to these arms (A1) said joints are rotatable and characterized in that each first of these arms (1) is firmly connected at its other end to the rotor (5) of a drive motor by means of screws (6) and can be rotated about the motor axis (FIG. 3; A2) by said rotor, and in each case the second arm ( 2) at its other end by means of a bearing (Fig. 5; 7) and a common bearing bush (8) about the arm perpendicular to said arm (A3) is rotatably articulated with the other second arm (2).

2. Robot according to claim 1, characterized in that said arms (1, 2) and joints (Fig. 4) are each arranged symmetrically with respect to a plane of symmetry (A-A) which is perpendicular to the joint axes.

3. Robot according to one of claims 1 or 2, characterized in that the stators of said motors by means of screws (Fig. 3; 9, 10) and flanges (11, 12) are screwed to a common hollow column (13) and this hollow column fixed is connected to a base plate (4).

4. Robot according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that said motors are supplied in that the energy and the control lines are each in a protective tube

(15) through the hollow column (13) from below for the upper and for the lower motor through a hole in the flange (12).

5. Robot according to one of claims 1, 2, 3 or 4, characterized in that one or two drive systems are arranged such that their elements are inside the hollow column (13) and the four arms (1, 2) and their purpose it is to drive a bushing (18) provided with bearings (16, 17) in the end joint (FIG. 5) by the motor (s) (19) arranged outside and below the base plate (14).

6. Robot according to claim 5, characterized in that said drive systems each contain a drive motor (19) with a pinion (20), a toothed belt (21), an axle (23) mounted by means of bearings (22) inside the hollow column (13) ), which is firmly connected at one end to a toothed pinion (24) and can thus be driven by the toothed belt (21) and another toothed pinion (25), which is firmly connected to said axis by means of a pin and through an opening in the column (13) engages in the internal toothing of a toothed belt pouch (27) which is rotatably mounted on the column (13) by means of bearings (26) and a toothed belt (28) inside the arm (1) engages in the joint (Fig. 4) by means of bearings (29 ) drives a toothed belt pulley (30) which is rotatably mounted and provided with a double ring gear and via a further toothed belt (31) and the bushing (18) which is rotatably mounted in the end joint (FIG. 5) by means of bearings (16, 17) and which is provided with a toothed pinion, from the engine ( 19) can be rotated.

7. Robot according to claim 6, characterized in that said drive systems are used for spatial positioning of tools, gripper systems or end effectors to be attached to the end joint (FIG. 5), by means of ball circulation systems or equivalent systems connected to the bush (18) along the joint axis (A3). are moved and positioned, and by the second sleeve (18) whose angular position about the hinge axis (A3) can be determined.

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