DD272002A3

DD272002A3 - ARMORED JOINT UNIT, PREFERABLY FOR INDUSTRIAL ROBOT

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. 1The invention relates to a chair-like joint unit as a wrist for industrial robots and manipulators, especially for paint spraying and coating. By means of two linear drives, advantageously hydraulic cylinders, it is possible to move a drive member (10) on a screen-like surface in space. Since only swivel joints are used, a relatively simple and low-play construction is possible. Fig. 1

Description

Object of the invention

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.The aim of the invention is to provide a simple, built only from turntables spatial golde unit, which is repeatedly forced to increase the mobility several times in series, which extends its use as a supplementary unit for industrial robots and increases the economics of industrial robots or robotic use only possible makes.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The object of the invention is to provide a joint unit with proboscis-like function that avoids the complicated structure of many known solutions and as often inevitably in series is switchable. Compared to previously known solutions, the number of total joint freedom is to be reduced, which will have a positive effect on wear and game influences. At the same time as good as possible symmetry approaching working space to arise, under the premise that the transmission angle and thus the joint forces are low. According to the invention, the joint unit is designed as a six-membered spatial coupling mechanism. A drive rod is attached to a gimbal with a universal joint and can be moved in two planes with two linear drives. With a likewise mounted with a universal joint in Gostell first rod and a coupling this forms a flat four-membered coupling gear, which can be pivoted in a second plane to the frame. For this purpose, the vertical axes of rotation of the universal joints must be identical. This is achieved in that the vertical axes of rotation of the cardan joints are arranged fixed to the frame. For the connections between the coupling and the first rod and the coupling and the drive rod level hinges are used. The drive rod and the first rod are arranged crossed and the kinematic dimensions are set so that in the initial position of the joint unit results in an optimal transmission angle of 90 degrees between the first rod ¹ Jnd the coupling. A second pole is mounted in a 90 degree twisted plane to this four-bar mechanism with a universal joint on the stem and forms with this and a AbtriQbsglied a spatial six-membered transmission. Between the Koppe! and the output member is a planar hinge arranged such that its axis is perpendicular to the space in a horizontal starting position of the transmission. Between the second rod, which is designed like a frame for reasons of collision-free mobility, and the output member is a rotary joint with the degree of freedom 3, z. B. a ball joint or a movable about its longitudinal axis universal joint, arranged. To forcibly interconnect a plurality of hinge units of this kind, the first hinge unit drive rod is used as a frame for the second hinge unit, that is, the first and second rods of the second hinge unit are hinged to the first hinge unit of the first hinge unit, which is specially designed for this purpose; attached. The drive rod of the second joint unit is firmly connected to the output member of the ers to hinge unit. In the second hinge unit, the planar hinge between the first rod and the coupling is replaced by a multiple hinge with three degrees of freedom.

Ausfuhrungsbeispielexemplary

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigt:The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. Showing:

Fig. 1: das kinematische Schema zweier hintereinandergeschalteter Gelenkeinheiten in einer ausgelenkten Stellung,1: the kinematic diagram of two series-connected joint units in a deflected position,

Fig. 2: eine Skizze zur Bewegungssimulation der wichtigsten Getriebaglieder der Gelenkeinheiten,2 shows a sketch for the simulation of the movement of the most important transmission links of the joint units,

Fig.3: eine konstruktiv gestaltete Variante zweiar hintereinandergeschalteter Gelenkeinheiten und3: a structurally designed variant of two series-connected joint units and

Fig.4: eine räumliche Darstellung des Arbeitsraumes.4 shows a spatial representation of the working space.

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.The drive rod 2 is attached to the universal joint I on the frame 1. With the aid of the linear actuators 11 and 12, advantageously hydraulic cylinders which are connected to the drive rod 2 via the joints XV and XVII and the frame via the joints XIV and XVI, the drive rod 2 can be moved in two planes in space. With planar hinges IV and V, the drive rod 2 and the first coupling 5 and the first tie rod 3 and the first coupling 5 are connected, the first tie rod 3 is mounted with the universal joint III in the frame. The vertical axes of rotation of joints I and III must be identical. This is achieved in that the universal joints are installed so that their axis of rotation is arranged vertically and fixed to the frame. As a result, the first coupling 5 can move only in a plane which is spanned by the drive rod 2 and a vertical. The kinematic dimensions are advantageously chosen so that the angle between the gear members and 5 is 90 degrees in the starting position. The hints! between the connecting line of the joints IV and V and the joint axis of the joint Vl is advantageously chosen so that in the initial position of the transmission, the joint axis of the joint Vl is a vertical. About this axis, the first output member 6 is rotatable about the first coupling 5 and connected to a rotary joint VII of the degree of freedom 3 with the first frame part 4. The first frame part 4 is connected to the frame 1 via the cardan joint II. It is advantageous if the universal joints I, II, IM span an angle of 90 degrees. Upon movement of the drive element 11, the output member 6 will move in the XY plane, upon movement of the Antiiebselementes 12 in the XZ plane. By superposition of the two drive coordinates ν and w results in the work space shown in Figure 4.

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.To increase the mobility, it is possible to connect a number of the joint unit just described necessarily in a row. In this case, the drive rod 2 for the following joint unit replaces the frame 1, that is, the second pull rod 7 and the second frame part 8 are connected to the drive rod 2 through the hinges VIII and IX. The first output member 6 is identical to the second drive rod. Since the joint axes of the joints Vl and IX are not identical, a Drehgslonk with the degree of freedom 3 is used for the joint Xl between the second pull rod 7 and the second coupling 9. The connection between the first output member 6 and the second coupling 9 and the second output member 10 and the second frame part 8 with the joints X, XII and XIII is done in the manner described above.

Claims

1. trunk-like hinge unit, preferably for industrial robots using two drive elements and gimbals and hinges, characterized in that a drive rod (2) with the universal joint (I) on a frame (1) is attached; the drive rod (2) is connected to the plane hinge (IV) with the first coupling (5), which in turn is connected to the plane hinge (V) with the first tie rod (3) and this with the universal joint (III) in the frame (1) is stored; the joint axes of the planar hinges (IV), (V) and one joint axis of the cardan joints (I), (III) are parallel; on the first coupling (5) the plane hinge (Vl) is arranged such that its axis does not coincide with a straight line through the joint centers of the joints (IVl and (V) and is perpendicular in a starting position, with the joint (Vl) the first coupling (5) the first output member (6) is mounted and this is connected to the rotary joint (VII) of the degree of freedom 3 with the first frame part (4) and the first frame part (4) with a universal joint (II) in the frame ( I), the joints (II). (I), (III) advantageously forming an angle of 90 °.

2. trunk-like hinge unit according to claim 1, characterized in that on the drive rod (2) with the universal joints (VIII), (IX) the second frame part (8) and the second pull rod (7) are attached; the first output member (6) and the second drive rod are identical; the connection between the second coupling (9) and the second tie rod (7) by a hinge with the degree of freedom

3 (XI) is produced and the joints (X), (XII) and (XIII) in the same way as the joints (IV), (Vl), (VII) the first output member (6) with the second coupling (9) and connect the second output member (10) to the second frame member (8).

For this

4 pages drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a joint unit for robots, which decisively increases the mobility and the working space of the robot by an elephant trunk-like function and the realization of fast to be traveled, complicated trajectories for the working organ is useful.

Characteristic of the known technical solutions

There are known solutions for trunk-like devices for industrial robots. A relatively simple arrangement is described in DE OS 3209270. The wrist is movable only in one plane, the maneuverability of the working organ correspondingly low. Very similar - the task is solved in DE OS 3135088. As members for transmitting motion lever, ropes and wheels, even non-circular, are proposed. Are also known about two axes movable devices; they are able to move the working member on a typical for such constructions umbrella-like surface. (Volmer, Industrial Robot Development, VEB Verlag Technik Berlin 1983 p.97) The spatial gears used are very production-consuming, wear and prone to failure. Ir ₁ DE OS 3334104 these were replaced by ball-tube joints. An anthropomorphic construction, similar to the spinal column, is described in EP 0017016. Biconvex disks of larger numbers are held together by means of prestressed wire ropes. By appropriate adjustment of the cables, the convex surfaces roll on each other and cause a diffraction. A disadvantage of this solution is the g ^r size control engineering effort to compensate for the variable during the movement length of the polygon, the form, the wires (metal surface München 37 [198318 p.327).

Also with cables, the drive of a joint unit in French Patent 2 378612. In EP 0009447 a joint for manipulator arms is described. This consists of three levers that connect two wreaths. The connection of the wreaths and levers is done with two levers by a card and a ball joint, in a lever with two universal joints. It creates a five-membered spatial gear, its kinematic chain and structure has long been known. They arise through link and joint extension of a spatial four-bar linkage, z. B. the Benett transmission (Altmann, Spatial five-member coupling gear construction 6 [1954] p.254-259). Due to the exclusive use of hinges a relatively low-backlash construction is possible. With appropriate choice of kinematic dimensions creates a symmetrical working space, which is, however, paid for with very unfavorable transmission angles. By driving two of the three levers over so-called cranked lugs unfavorable transmission ratios and thus unfavorably large forces. The two levers are subjected to bending and are therefore designed to be stiff. There is no provision for multiple joints to be arranged one behind the other in order to further increase mobility.