CS237906B1

CS237906B1 - Motion unit especially for manipulators,industrial robots and prothetic prostheses

Info

Publication number: CS237906B1
Application number: CS604981A
Authority: CS
Inventors: Josef Kovar
Original assignee: Josef Kovar
Priority date: 1981-08-12
Filing date: 1981-08-12
Publication date: 1985-11-13
Also published as: FR2572560A1; AT381894B; CS8106049A; CH665162A5; DE3434596A1; AU3355284A; AU568574B2; ATA297184A

Abstract

A motion transmission mechanism, especially for use in manipulators, industrial robots and prosthetic elements, for applying a force to at least one orienting member of at least one kinematic pair comprising a positioning member and one or more orienting members, said motion transmission mechanism comprising at least two filaments each having first and second ends, said first ends being fixedly attached to a common, rotatable drive member and said second ends being connected to at least one orienting member such that rotation of said drive member causes said filaments to be twisted together, therby progressively shortening the overall length of the pair of filaments so as to apply

Description

Vynález se týká pohybové jednotky, zvláště pro manipulátory, průmyslové roboty a protetické náhrady obsahující alespoň jednu rotační anebo translační kinematickou dvojici tvořenou polohovací a orientační částí, pohonnou jednotku a zařízení pro transformaci pohybu od pohonné jednotky k orientační části kinematické dvojice.The invention relates to a motion unit, in particular for manipulators, industrial robots and prosthetic replacements comprising at least one rotational or translational kinematic pair comprising a positioning and orientation part, a drive unit and a device for transforming movement from the drive unit to the orientation part of a kinematic pair.

U doposud známých provedení pohybových jednotek je pro transformaci pohybu od pohonné jednotky k orientační části jedné nebo více kinematických dvojic použito běžných mechanických konstrukčních prvků tvořených například ozubenými koly, pohybovými šrouby, táhly, vačkami, pákami, popřípadě lanky.In the prior art motion units, conventional mechanical components are used to transform movement from the drive unit to the orientation portion of one or more kinematic pairs, such as gear wheels, movement screws, rods, cams, levers, or cables.

Takto vytvořené pohonné jednotky se vyznačují nevýhodami spočívajícími v poměrně velké váze pohonné jednotky a prostorové náročnosti, zvláště u pohonné jednotky s více kinematickými dvojicemi pro docílení jejího složitějšího pohybu. U těchto, pohybových jednotek je potom celé ústrojí konstrukčně náročné a nákladné.The drive units formed in this way are characterized by the disadvantages of the relatively large drive unit weight and the space requirement, especially in the case of a drive unit with multiple kinematic pairs, in order to make it more difficult to move. In these movement units, the entire device is then structurally demanding and expensive.

Pro zjednodušení se vestavuje do pohybových jednotek více pohonných jednotek, čímž se sníží složitost . převodové části, což však s sebou přináší zvýšení nákladů na pohonné jednotky. Pří spotřebě použití pohonných jednotek v omezeném prostoru není možné většinou pohonné jednotky aplikovat v jednoduché konstrukční podobě.For simplicity, multiple drive units are built into the movement units, reducing complexity. However, this entails increased drive unit costs. When the use of power units in confined space is consumed, it is usually not possible to apply the power units in a simple construction form.

U pohonných jednotek využívajících pro přenos pohybu k orientačním částem kinematických dvojic lanek se dosáhne snížení jejich váhy i snížení prostorové náročnosti, zvýší se však nároky na pohonnou jednotku s ohledem na dosažení nízkých výstupních otáček nebo je nutné k pohonné jednotce přiřadit další převodové zařízení.Propulsion units using the transmission parts to the orientation parts of kinematic cable pairs will reduce their weight and reduce space requirements, but the drive unit will increase its output speed due to low output speeds or it is necessary to assign an additional transmission device to the drive unit.

Cílem tohoto vynálezu je vytvoření pohybové jednotky zvláště pro manipulátory, průmyslové roboty a protetické náhrady, které by se vyznačovaly poměrně nízkou váhou, malým zástavbovým prostorem, konstrukční jednoduchostí, nízkými pořizovacími náklady, přičemž tyto výhody by se měly uplatnit i u pohybových jednotek s více ovládanými kinematickými dvojicemi.It is an object of the present invention to provide a motion unit especially for manipulators, industrial robots and prosthetic replacements which are characterized by relatively low weight, small installation space, simplicity of construction, low purchase costs, and these advantages should also apply to motion units with more controlled kinematic couples.

Podstata pohybové jednotky podle vynálezu spočívá v tom, že polohovací část tvořící kinematickou dvojici s orientační částí je s touto orientační částí spojena soustavou alespoň dvou vláken, jejichž jedny konce jsou uchyceny na rotačním výstupu pohonné jednotky uspořádané na polohovací části a druhé konce vláken jsou spojeny s orientační částí. Sekundární konce vláken mohou být spojeny alespoň se dvěma orientačními částmi kinematických dvojic, a to přímo nebo přes vyrovnávací člen. Vlákna mohou být vedena přes pruvlaky pevně spojené s orientační částí kinematických dvojic.The motion unit according to the invention is characterized in that the positioning part forming the kinematic pair with the orientation part is connected to this orientation part by a system of at least two fibers, one end of which is attached to the rotary output of the driving unit arranged on the positioning part and orientation part. The secondary fiber ends may be connected to at least two orientation portions of kinematic pairs, directly or via an alignment member. The fibers may be routed through strands firmly attached to the orientation portion of the kinematic pairs.

Polohovací část kinematické dvojice je popřípadě upevněna na pružném členu.The positioning part of the kinematic pair is optionally attached to the resilient member.

Výhodou pohybové jednotky podle vynálezu je její konstrukční jednoduchost, nízká váha, nízká prostorová náročnost a nízké pořizovací náklady.The advantage of the movement unit according to the invention is its construction simplicity, low weight, low space consumption and low purchase costs.

Další výhoda spočívá v použití jedné, respektive minimálního počtu pohonných jednotek, ke kterým není nutné použití převodů pro snížení jejich výstupních otáček. Další výhodou pohybové jednotky podle vynálezu je možnost ovládání více orientačních částí kinematických dvojic, a to alespoň dvou, aniž je nutné zvýšit složitost zařízení pro transformaci pohybu nebo počet jeho prvků. Je tak možno také dosáhnout ’ samočinného navádění pohybového ústrojí jako celku nebo jeho výstupních kinematických dvojic, aniž by bylo nutné použití kompenzátorů polohy.A further advantage lies in the use of one or a minimum number of power units, which do not require the use of gears to reduce their output speed. A further advantage of the motion unit according to the invention is the possibility of controlling a plurality of orientation parts of kinematic pairs, at least two, without increasing the complexity of the motion transformation device or the number of its elements. Thus, it is also possible to automatically guide the locomotive apparatus as a whole or its output kinematic pairs without the need for position compensators.

Další výhoda potom spočívá v možnosti postupné aktivace orientačních částí kinematických dvojic v závislostí na volbě vnitřních odporů. Pořadí a velikost vnitřních odporů lze programově měřit, což umožňuje vytváření spojitého pohybu pohybové jednotky v omezeném prostoru. U pohybové jednotky podle vynálezu je potom možné bezprostřední využití momentu setrvačnosti pohonné jednotky pro korekci ovládací síly po vypínacím signálu od čidla, například při využití k podávání měkkého materiálu, u svařovacích čelistí, u prostřihovačů a podobně.Another advantage lies in the possibility of gradual activation of orientation parts of kinematic pairs depending on the choice of internal resistors. The order and magnitude of the internal resistors can be measured programmatically, allowing continuous movement of the motion unit within limited space. In the motion unit according to the invention, it is then possible to immediately use the moment of inertia of the drive unit to correct the actuating force after a trip signal from the sensor, for example for use in feeding soft material, welding jaws, punchers and the like.

Příklady provedení pohybových jednotek podle vynálezu jsou znázorněny schematicky na připojených výkresech, kde na obr. 1 je pohybová jednotka s více rotačními kinematickými dvojicemi, na obr. 2 je pohybová jednotka podle obr. 1 se změnou její polohy, na obr. 3 je část pohonné jednotky obsahující rotační a translační kinematickou dvojici, na obr. 4 je část pohybové jednotky se dvěma zařízeními pro transformaci . pohybu, na obr. 5 až 8 jsou jednotlivé fáze pohybu pohonné jednotky s rotačními kinematickými dvojicemi, na obr. 9 a 10 jsou jednotlivé fáze alternativního provedení pohonné jednotky, na obr. 11 a 12 jsou jednotlivé fáze dalšího alternativního provedení pohonné jednotky, na obr. 13 je část pohonné jednotky s vloženým vyrovnávacím členem a na obr. 14 a 15 je. část pohonné jednotky s alternativními provedeními kinematických dvojic.Examples of movement units according to the invention are shown schematically in the accompanying drawings, in which Fig. 1 is a motion unit with several rotary kinematic pairs, Fig. 2 is a motion unit according to Fig. 1 with a change of its position; Fig. 4 shows a part of a motion unit with two transformers. Figures 5 to 8 show individual phases of the drive unit with rotating kinematic pairs, Figures 9 and 10 show the individual phases of an alternative embodiment of the drive unit, Figures 11 and 12 show the individual phases of another alternative embodiment of the drive unit, Fig. 13 is a portion of a drive unit with an alignment member inserted, and Figs. part of the drive unit with alternative kinematic pairs.

Na obr. 1 a 2 je znázorněna pohonná jednotka s více rotačními kinematickými dvojicemi tvořenými vždy polohovací částí 2 a orientační částí 3. Orientační část 3 předchozí kinematické dvojice tvoří zároveň polohovací část následující kinematické dvojice. Poslední kinematické dvojice jsou tvořeny polohovací částí 2 a dvěma orientačními částmi 3. Pohonná jednotka 1 je v tomto případě upevněna na polohovací části 2 první kinematické dvojice a její rotor tvořící společně nosné otočné těleso, je spojen se vstupními konci vláken 4. Vlákna 4 jsou minimálně dvě a tvoří zařízení pro transformaci pohybu od pohonné jednotky 1 k jednotlivým kinematickým dvojicím. Výstupní konce vláken 4 jsou uchyceny k orientačním čás tem 3 kinematické dvojice. V případě dvou vláken, je výstupní konec jednoho vlákna 4 uchycen к orientační části 3 a výstupní konec druhého vlákna к další orientační části1 and 2 show a drive unit having a plurality of rotational kinematic pairs, each comprising a positioning part 2 and an orientation part 3. The orientation part 3 of the previous kinematic pair also forms the positioning part of the following kinematic pair. The last kinematic pairs are formed by the positioning part 2 and the two orientation parts 3. The drive unit 1 is in this case mounted on the positioning part 2 of the first kinematic pair and its rotor forming a supporting rotatable body is connected to the inlet ends of the fibers 4. two and form a device for transforming movement from the drive unit 1 to the individual kinematic pairs. The exit ends of the fibers 4 are attached to the orientation part 3 of the kinematic pair. In the case of two fibers, the outlet end of one fiber 4 is attached to the orientation portion 3 and the outlet end of the other fiber to the other orientation portion

3. Vlákna 4 mohou být vedena přímo od pohonné jednotky 1 к orientačním částem 3 nebo, jak je znázorněno na obr. 1, přes vodicí členy 5 pevně spojené s orientačními částmi kinematických dvojic. Vodicí členy 5 mohou být představovány průvlaky, kladkami a podobně. Na výkrese nejsou znázorněny vratné členy, kterými je pohybová jednotka přestavována do výchozí polohy. Jako vratné členy je možné použít pružin, závaží a podobně, popřípadě je možné použít další soustavy vláken uchycených к pohonné jednotce tak, aby působila v opačném směru než nakreslená soustava vláken 4.The fibers 4 may be guided directly from the drive unit 1 to the orientation portions 3 or, as shown in Fig. 1, through the guide members 5 fixedly connected to the orientation portions of the kinematic pairs. The guide members 5 may be dies, pulleys and the like. The drawing does not show the return members by which the motion unit is moved to the starting position. As return members, springs, weights and the like can be used, or other sets of fibers attached to the drive unit can be used to act in the opposite direction to the drawn set of fibers 4.

Použití translanční kinematické dvojice je patrné z obr. 3, kde polohovací část 2 je vedena suvně v orientační části 3. Kromě vláken 4 vedených ke koncovým orientačním částem 3, jsou použity další vlákna 4 vedená к vodícímu členu 5, ke kterému jsou v tomto případě připevněna.The use of the translational kinematic pair is evident from Figure 3, wherein the positioning portion 2 is slidably guided in the orientation portion 3. In addition to the fibers 4 led to the end orientation portions 3, other fibers 4 are guided to the guide member 5 to which attached.

Na obr. 4 tvoří polohovací část 2 a jedna orientační část 3 kinematickou dvojici ovládanou jedněmi vlákny 4. Tato orientační část 3 tvoří polohovací část pro další kinematické dvojice, jejichž další orientační části 3 jsou ovládány dalšími vlákny 4 přes vyrovnávací člen 6.In FIG. 4, the positioning portion 2 and one orientation portion 3 form a kinematic pair controlled by one fiber 4. This orientation portion 3 forms a positioning portion for other kinematic pairs, the other orientation portions 3 of which are controlled by other fibers 4 through the alignment member 6.

Na obr. 5 a 8 je pohybová jednotka v jednotlivých fázích pohybu, kdy v závislosti na volbě vnitřních odporů působících proti síle od pohonné jednotky 1 dochází к postupné aktivaci jednotlivých kinematických dvojic.Figs. 5 and 8 show the movement unit in the individual phases of the movement, where, depending on the choice of internal resistances acting against the force from the drive unit 1, the individual kinematic pairs are gradually activated.

Vlákna jsou výstupními konci pevně uchycena na vodicím členu 5 orientační části poslední kinematické dvojice, zatímco vodícími členy 5 předchozích kinematických dvojic prochází.The fibers are firmly attached at the exit ends to the guide member 5 of the orientation portion of the last kinematic pair, while the guide members 5 of the previous kinematic pairs pass through.

Na obr. 9 a 10 je výstupní konec jednoho z vláken 4 uchycen к vodícímu členu 5 první kinematické dvojice, zatímco výstupní konec dalšího vlákna 4 je uchycen přes synatrizační člen 7 к vodícímu členu 5 další kinetické dvojice.In Figures 9 and 10, the outlet end of one of the fibers 4 is attached to the guide member 5 of the first kinematic pair, while the outlet end of the other fiber 4 is attached through the synatrization member 7 to the guide member of the other kinetic pair.

Na obr. 11 a 12 je polohovací část 2 upevněna na pružném členu 9. Vlákna 4 jsou uchycena na vodicích členech 5 orientačních částí 3, přičemž spojení jednoho z vláken 4 s orientační částí 3 je dosaženo přes závěs 8.In FIGS. 11 and 12, the positioning portion 2 is fixed to the resilient member 9. The fibers 4 are attached to the guide members 5 of the orientation portions 3, whereby the connection of one of the fibers 4 to the orientation portion 3 is achieved through the hinge 8.

Spojení mezi závěsem 8 a vodicím členem 5 nevyžaduje použití vlákna 4. Je možné jej dosáhnout jakýmkoliv ohebným prvkem. Jednotlivé články protetické náhrady tvoří rotační jednotlivé kinematické dvojice s případně proměnlivou osou rotace.The connection between the hinge 8 and the guide member 5 does not require the use of fiber 4. It can be achieved by any flexible element. The individual elements of the prosthetic prosthesis consist of rotating individual kinematic pairs with a possibly variable axis of rotation.

Na obr. 13 je patrné ovládání orientačních částí 3 vlákny 4 přes vyrovnávací člen 6. Alternativní provedení kinematických dvojic je patrné z obr. 14 a 15, kde polohovací část 2 je tvořena rámem a orientační část 3 ozubeným kolem netyo ozubeným hřebenem. Dal ší kinematická dvojice je tvořena mezi dvěma ozubenými koly nebo mezi ozubeným hřebenem a ozubeným kolem.13 shows the operation of the orientation portions 3 by the fibers 4 through the alignment member 6. An alternative embodiment of the kinematic pairs is shown in FIGS. 14 and 15, wherein the positioning portion 2 is formed by a frame and the orientation portion 3 by a gear or non-rack. Another kinematic pair is formed between two gears or between a rack and a gear.

Při činnosti pohybové jednotky, jejíž příklady provedení byly v předchozím uvedeny, je každá kinematická dvojice tažena vlákny 4, jejichž vstupní konce jsou spojeny s rotorem motoru, a tím dochází ke vzájemnému svinování vláken 4 a jejich celkovému zkracování. Zkracováním vláken 4 dochází к natáčení nebo posuvu orientačních částí 3, vzhledem к polohovacím částem 2. Tím dochází jednak ke změně polohy pohybové jednotky a jednak к vyvození funkčního pohybu zvláště u koncových kinematických dvojic sloužících například jako uchopovací čelisti. Při použití soustav vláken 4, jak je patrno na obr. 3, je funkční pohyb poslední kinematické dvojice dosažen působením vlálken 4, zatímco její poloha daná přestavěním předchozích kinematických dvojic je daná působením dalších vláken 4. Na obr. 4 je stáčením vláken 4 uchycených к vyrovnávacímu členu 6 dosažen funkční pohyb orientačních částí 3, tvořících uchopovací čelist, jejichž pohyb je symetrický. Postupná změna polohy pohybové jednotky na obr. 5 až 8 je závislá na vnitřních odporech jednotlivých kinematických dvojic, které je možno popřípadě programově nastavit a vytvořit tak jejich libovolnou postupnou aktivaci.In the operation of the movement unit, the exemplary embodiments of which have been mentioned above, each kinematic pair is pulled by fibers 4, the inlet ends of which are connected to the motor rotor, thereby causing the fibers 4 to be rolled together and shortened overall. By shortening the fibers 4, the orientation portions 3 are pivoted or displaced relative to the positioning portions 2. This, on the one hand, changes the position of the movement unit and, on the other hand, induces functional movement, especially for terminal kinematic pairs serving as gripper jaws. When using fiber assemblies 4, as shown in FIG. 3, the functional movement of the last kinematic pair is achieved by the action of the corrugations 4, while its position given by the displacement of the previous kinematic pairs is given by the action of the other fibers 4. In FIG. a functional movement of the orientation parts 3 forming the gripping jaw, the movement of which is symmetrical, is achieved by the compensating member 6. The gradual change of the position of the movement unit in Figs. 5 to 8 is dependent on the internal resistances of the individual kinematic pairs, which can optionally be programmed to create their arbitrary activation.

Na obr. 9 a 10, dále na obr. 3 se při svinování vláken 4 ovládá každým lankem vlákna 4, jejichž počet je minimálně dva, jiná orientační část 3 kinematické dvojice. Symetrizační člen 7 slouží především pro vyrovnání vzdálenosti mezi jednotlivými vodícími členy 5, ke kterým jsou uchycena vlákna 4.In FIGS. 9 and 10, and in FIG. 3, when the fibers 4 are rolled up, each strand 4, of which there are at least two, is controlled by a different orientation part 3 of the kinematic pair. The symmetrizing member 7 serves primarily to compensate for the distance between the individual guide members 5 to which the fibers 4 are attached.

Pro jednodušší zavěšování vláken 4 je možno použít závěsy 8, jak je patrné schematicky na obr. 11 a 12. Oddělením výstupních konců vláken 4 a jejich připojením к rozdílným orientačním částem 3 je možné docílit zvětšení vstupního výkonu a vytvoření možnosti samočinného nastavení uchopovací části pohybové jednotky vzhledem například к odebranému předmětu. Obdobného účinku je možno dosáhnout u pohybové jednotky podle obr. 13, kde vlákna 4 ovládají orientační části 3 přes vyrovnávací člen 6.For simpler hanging of the fibers 4, hinges 8 can be used, as shown schematically in Figs. 11 and 12. By separating the fiber exit ends 4 and attaching them to different orientation portions, it is possible to increase the input power and create automatic adjustment of the gripper considering, for example, the object removed. A similar effect can be achieved with the movement unit of FIG. 13, where the fibers 4 control the orientation portions 3 through the alignment member 6.

Zpětný pohyb pohybové jednotky do výchozí polohy je možné docílit nuceným pohybem za použití například stáčených vláken působících v opačném směru, vlastní vahou zařízení nebo využitím akumulované energie těles aktivačního pohybu a to například použitím pružin, akumulátorů a podobně.The movement of the motion unit back to its initial position can be achieved by forced movement using, for example, twisted fibers acting in the opposite direction, by the device's own weight or by utilizing the stored energy of the actuating bodies, for example by using springs, accumulators and the like.

Pro uložení vstupních konců vláken je podstatné jejich uchycení na společném otočném nosném tělese, které v předchozích případech bylo tvořeno rotorem motoru.In order to accommodate the fiber inlet ends, it is essential to attach them to a common rotatable support body, which in the previous cases was formed by the motor rotor.

Pro změkčení záběru zvláště u uchopovacích částí tvořených posledními kinematickými dvojicemi je možné použít pružných členů, například pružin a podobně, které jsou vřazeny většinou mezi výstupní konec vlákna nebo vláken 4 a orientační část kine matické dvojice nebo vodicí člen upevněný k této orientační části.To soften the engagement especially in the gripping portions formed by the last kinematic pairs, it is possible to use resilient members, such as springs and the like, which are mostly inserted between the outlet end of the filament (s) 4 and the cinematic pair orientation or guide member attached thereto.

Claims

Movement unit, in particular for manipulators, industrial robots and prosthetic prostheses, comprising a positioning and orientation part, a drive unit and a device for transforming movement from the drive unit to an orientation part, characterized in that the positioning part (2j forming a kinematic pair with the orientation part) 3j is connected to this orientation part (3) by a system of at least two fibers (4), one end of which is attached to the rotary output of the drive unit (1) arranged on the positioning part (2) and the other ends of the fibers (4) parts (3).

2. A drive unit according to claim 1, characterized in that the secondary ends of the fibers (4) are connected to at least two orientation parts of kinematic pairs.

Drive unit according to Claim 2, characterized in that the secondary ends of the fibers (4) are connected to the orientation parts of the kinematic pairs via an alignment member (6).

Drive unit according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the fibers (4) are guided through the dies fixedly connected to the orientation part (3) of the kinematic pairs.

Drive unit according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the positioning part (2) of the kinematic pair is fixed to the resilient member.