DD272002A3

DD272002A3 - Ruesselartige gelenkeinheit, vorzugsweise fuer industrieroboter

Info

Publication number: DD272002A3
Application number: DD29460886A
Authority: DD
Inventors: Johannes Volmer; Joerg Mueglitz
Original assignee: Univ Chemnitz Tech
Priority date: 1986-09-23
Filing date: 1986-09-23
Publication date: 1989-09-27
Also published as: DE3730584A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine ruesselartige Gelenkeinheit als Handgelenk fuer Industrieroboter und Manipulatoren, speziell zum Farbspritzen und Beschichten. Es handelt sich dabei um ein Raumgetriebe, ein sechsgliedriges raeumliches Koppelgetriebe mit dem Freiheitsgrad 2. Durch zwei Linearantriebe, vorteilhaft Hydraulikzylinder, wird es moeglich, ein Antriebsglied (10) auf einer schirmartigen Flaeche im Raum zu bewegen. Da ausschliesslich Drehgelenke verwendet werden, ist eine relativ einfache und spielarme Konstruktion moeglich. Fig. 1

Description

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine einfache, nur aus Drehgetanken aufgebaute räumliche Golenkeinheit, die zur Erhöhung der Beweglichkeit mehrfach zwangläufig hintereinander schaltbar ist, zu schaffen, die als Ergänzungseinheit für Industrieroboter dessen Einsatzmöglichkeiten erweitert und die Wirtschaftlichkeit des Industrierobotereinsatzes erhöht bzw. einen Robotereinsatz erst möglich macht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gelenkeinheit mit rüsselähnlicher Funktion zu schaffen, die den komplizierten Aufbau vieler bekannter Lösungen vermeidet und beliebig oft zwangsläufig hintereinander schaltbar ist. Im Vergleich zu bisher bekannten Lösungen soll die Anzahl des Gesamtgelenkfreiheitsgrades verringert werden, was sich positiv auf Verschleiß- und Spieleinflüsse auswirken wird. Gleichzeitig soll ein möglichst gut die Symmetrie annähernder Arbeitsraum entstehen, unter der Prämisse, daß die Übertragungswinkel und damit die Gelenkkräfte günstig sind. Erfindungsgemäß ist die Gelenkeinheit als sechsgliedriges räumliches Koppelgetriebe ausgeführt. Eine Antriebsstange ist mit einem Kardangelenk an einem Gestell befestigt und kann mit zwei Linearantrieben in zwei Ebenen bewegt werden. Mit einer ebenfalls mit einem Kardangelenk im Gostell gelagerten ersten Stange und einer Koppel bildet diese ein ebenes viergliedriges Koppelgetriebe, welches in einer zweiten Ebene um das Gestell geschwenkt werden kann. Dazu müssen die senkrechten Drehachsen der Kardangelenke identisch sein. Dies wird dadurch gelöst, daß die senkrechten Drehachsen der Kardangelenke gestellfest angeordnet werden. Für die Verbindungen zwischen der Koppel und der ersten Stange und der Koppel und der Antriebsstange werden ebene Drehgelenke eingesetzt. Die Antriebsstange und die erste Stange sind gekreuzt angeordnet und die kinematischen Abmessungen so festgelegt, daß in der Ausgangsstellung der Gelenkeinheit sich ein optimaler Übertragungswinkel von 90Grad zwischen der ersten Stange ¹Jnd der Koppel ergibt. Eine zweito Stange ist in einer um 90Grad verdrehten Ebene zu diesem Viergelenkgetriebe mit einem Kardangelenk am Gestoll befestigt und bildet mit diesem und einem AbtriQbsglied ein räumliches sechsgliedriges Getriebe. Zwischen der Koppe! und dem Abtriebsglied ist ein ebenes Drehgelenk derart angeordnet, daß dessen Achse in einer waagerechten Ausgangsstellung des Getriebes senkrecht im Raum steht. Zwischen der zweiten Stange, die aus Gründen der kollisionsfreien Beweglichkeit rahmenartig gestaltet ist, und dem Abtriebsglied ist ein Drehgelenk mit dem Freiheitsgrad 3, z. B. ein Kugelgelenk oder ein um seine Längsachse bewegliches Kardangelenk, angeordnet. Um mehrere Gelenkeinheiten dieser Art zwangläufig hintereinanderzuschalten, wird die Antriebsstange der ersten Gelenkeinheit als Gestell für die zweite Gelenkeinheit verwendet, das heißt, die erste und die zweite Stange der zweiten Gelenkeinheit werden mit Kardangelenken an der Aniriebsstange der ersten Gelenkeinheit, die dafür besonders gestaltet ist, befestigt. Die Antriebsstange der zweiten Gelenkeinheit wird fest mit dem Abtriebsglied der ers an Gelenkeinheit verbunden. In der zweiten Gelenkeinheit ist das ebene Drehgelenk zwischen der ersten Stange und der Koppel durch ein Mehrfachdrehgelenk mit drei Freiheiten ersetzt.

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1: das kinematische Schema zweier hintereinandergeschalteter Gelenkeinheiten in einer ausgelenkten Stellung,

Fig. 2: eine Skizze zur Bewegungssimulation der wichtigsten Getriebaglieder der Gelenkeinheiten,

Fig.3: eine konstruktiv gestaltete Variante zweiar hintereinandergeschalteter Gelenkeinheiten und

Fig.4: eine räumliche Darstellung des Arbeitsraumes.

Die Antriebsstange 2 ist mit dem Kardangelenk I am Gestell 1 befestigt. Mit Hilfe der Linearantriebe 11 und 12, vorteilhaft Hydraulikzylinder, die mit der Antriebsstange 2 über die Gelenke XV und XVII und dem Gestell über die Gelenke XIV und XVI verbunden sind, kann die Antriebsstange 2 in zwei Ebenen im Raum bewegi werden. Mit ebenen Drehgelenken IV und V sind die Antriebsstange 2 und die erste Koppel 5 und die erste Zugstange 3 und die erste Koppel 5 verbunden, die erste Zugstange 3 ist mit dem Kardangelenk III im Gestell gelagert. Die senkrechten Drehachsen der Gelenke I und III müssen identisch sein. Das wird dadurch gelöst, daß die Kardangelenke so eingebaut werden, daß deren eine Drehachse senkrecht und gestellfest angeordnet wird. Demzufolge kann sich die erste Koppel 5 nur in einer Ebene bewegen, die durch die Antriebsstange 2 und eine Senkrechte aufgespannt wird. Die kinematischen Abmessungen sind vorteilhaft so gewählt, daß der Winkel zwischen den Getriebegliedern und 5 in der Ausgangslage 90Grad beträgt. Der Winke! zwischen der Verbindungsgeraden der Gelenke IV und V und der Gelenkachse des Gelenkes Vl wird vorteilhaft so gewählt, daß in der Ausgangsstellung des Getriebes die Gelenkachse des Gelenkes Vl eine Senkrechte ist. Um diese Achse ist das erste Abtriebsglied 6 um die erste Koppel 5 drehbar und mit einem Drehgelenk VII vom Freiheitsgrad 3 mit dem ersten Rahmenteil 4 verbunden. Das erste Rahmenteil 4 ist über das Kardangelenk Il mit dem Gestell 1 verbunden. Dabei ist es günstig, wenn.die Kardangelenke I, II, IM einen Winkel von 90 Grad aufspannen. Bei einer Bewegung des Antriebselementes 11 wird sich das Abtriebsglied 6 in der XY-Ebene, bei Bewegung des Antiiebselementes 12 in dor XZ-Ebene bewegen. Durch Überlagerung der beiden Antriebskoordinaten ν und w ergibt sich der in Figur 4 gezeigte Arbeitsraum.

Zur Erhöhung der Beweglichkeit ist es möglich, eine Anzahl der eben beschriebenen Gelenkeinheit zwangläufig hintereinanderzuschalten. Dabei ersetzt die Antriebsstange 2 für die folgende Gelenkeinheit das Gestell 1, d.h., die zweite Zugstange 7 und das zweite Rahmenteil 8 sind durch die Gelenke VIII und IX mit der Antriebsstange 2 verbunden. Das erste Abtriebsglied 6 ist mit der zweiten Antriebsstange identisch. Da die Gelenkachsen der Gelenke Vl und IX nicht identisch sind, ist für das Gelenk Xl zwischen der zweiten Zugstange 7 und der zweiten Koppel 9 ein Drehgslonk mit dem Freiheitsgrad 3 einzusetzen. Die Verbindung zwischen dem ersten Abtriebsglied 6 und der zweiten Koppel 9 und dem zweiten Abtriebsglied 10 und dem zweiten Rahmenteil 8 mit den Gelenken X, XII und XIII geschieht in oben beschriebener Weise.

Claims

1. Rüsselartige Gelenkeinheit, vorzugsweise für Industrieroboter unter Verwendung von zwei Antriebselementen und Kardan- und Drehgelenken, gekennzeichnet dadurch, daß eine Antriebsstange (2) mit dem Kardangelenk (I) an einem Gestell (1) befestigt ist; die Antriebsstange (2) mit dem ebenen Drehgelenk (IV) mit der ersten Koppel (5) verbunden ist, welche wiederum mit dem ebenen Drehgelenk (V) mit der ersten Zugstange (3) verbunden ist und diese mit dem Kardangelenk (III) im Gestell (1) gelagert ist; die Gelenkachsen der ebenen Drehgelenke (IV), (V) und je eine Gelenkachse der Kardangelenke (I), (III) parallel sind; an der ersten Koppel (5) das ebene Drehgelenk (Vl) derart angeordnet ist, daß dessen Achse nicht mit einer Geraden durch die Gelenkmittelpunkte der Gelenke (IVl und (V) zusammenfällt und in einer Ausgangslage senkrecht ist; mit dem Gelenk (Vl) an der ersten Koppel (5) das erste Abtriebsglied (6) gelagert ist und dieses mit dem Drehgelenk (VII) vom Freiheitsgrad 3 mit dem ersten Rahmenteil (4) verbunden ist und das erste Rahmenteil (4) mit einem Kardangelenk (II) im Gestell (I) befestigt ist, wobei die Gelenke (II). (I), (III) vorteilhaft einen Winkel von 90° aufspannen.

2. Rüsselartige Gelenkeinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß an der Antriebsstange (2) mit den Kardangelenken (VIII), (IX) das zweite Rahmenteil (8) und die zweite Zugstange (7) befestigt sind; das erste Abtriebsglied (6) und die zweite Antriebsstange identisch sind; die Verbindung zwischen der zweiten Koppel (9) und der zweiten Zugstange (7) durch ein Drehgelenk mit dem Freiheitsgrad

3 (Xl) hergestellt wird und die Gelenke (X), (XII) und (XIII) in gleicher Weise wie die Gelenke (IV), (Vl), (VII) das erste Abtriebsglied (6) mit der zweiten Koppel (9) und das zweite Abtriebsglied (10) mit dem zweiten Rahmenteil (8) verbinden.

Hierzu

4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Gelenkeinheit für Roboter, die durch eine elefantenrüsselähnliche Funktion die Beweglichkeit und den Arbeitsraum des Roboters entscheidend vergrößert und der Realisierung von schnell zu durchfahrenden, komplizierten Bahnkurven für das Arbeitsorgan dienlich ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Lösungen für rüsselähnliche Einrichtungen für Industrieroboter bekannt. Eine relativ einfache Anordnung ist in der DE OS 3209270 beschrieben. Das Handgelenk ist hierbei nur in einer Ebene beweglich, die Manövrierbarkeit des Arbeitsorganes entsprechend gering. Sehr ähnlich - ird die Aufgabe in der DE OS 3135088 gelöst. Als Glieder zur Bewegungsübertragung werden Hebel, Seile und Räder, auch unkreisförmige, vorgeschlagen. Bekannt sind auch um zwei Achsen bewegliche Einrichtungen; sie sind in der Lage, das Arbeitsorgan auf einer für derartige Konstruktionen typischen, schirmartigen Fläche zu bewegen. (Volmer, Industrieroboter-Entwicklung, VEB Verlag Technik Berlin 1983 S.97) Die eingesetzten räumlichen Verzahnungen sind sehr fertigungsaufwendig, verschleiß- und störanfällig. Ir₁ der DE OS 3334104 wurden diese durch Kugel-Rohrgelenke ersetzt. Eine anthropomorphe Konstruktion, ähnlich der Wirbelsäule, wird im EP 0017016 beschrieben. Bikonvexe Scheiben größerer Anzahl werden mittels vorgespannter Drahtseile zusammengehalten. Durch entsprechende Verstellung der Seilzüge wälzen die konvexen Oberflächen aufeinander ab und bewirken eine Beugung. Ein Nachteil dieser Lösung ist der g^roße steuerungstechnische Aufwand zur Kompensation der bei der Bewegung veränderlichen Länge des Polygonzuges, den die Seilzüge bilden (Metalloberfläche München 37 [198318 S.327).

Ebenfalls mit Seilzügen erfolgt der Antrieb einer Gelenkeinheit im französischen Patent 2 378612. Im EP 0009447 wird ein Gelenk für Manipulatorarme beschrieben. Dieses besteht aus drei Hebeln, die zwei Kränze miteinander verbinden. Die Verbindung der Kränze und Hebel geschieht bei zwei Hebeln durch je ein Karden- und ein Kugelgelenk, bei einem Hebel mit zwei Kardangelenken. Es entsteht ein fünfgliedriges räumliches Getriebe, dessen kinematische Kette und auch Struktur ist seit langem bekannt. Sie ergeben sich durch Glieder- und Gelenkerweiterung eines räumlichen Viergelenkgetriebes, z. B. des Benett-Getriebes (Altmann, Räumliche fünfgliedrige Koppelgetriebe Konstruktion 6 [1954] S.254-259). Durch die ausschließliche Verwendung von Drehgelenken ist eine relativ spielarme Konstruktion möglich. Bei entsprechender Wahl der kinematischen Abmessungen entsteht ein symmetrischer Arbeitsraum, der allerdings mit sehr ungünstigen Übertragungswinkeln erkauft wird. Durch den Antrieb von zwei der drei Hebel über sogenannte gekröpfte Ansatzstücke ergeben sich ungünstige Übersetzungsverhältnisse und damit ungünstig große Kräfte. Die beiden Hebel werden auf Biegung beansprucht und sind deshalb entsprechend steif auszulegen. Es ist keine Möglichkeit vorgesehen, mehrere Gelenke zwangsläufig hintereinander anzuordnen, um damit die Beweglichkeit weiter zu erhöhen.