DE102010006155A1

DE102010006155A1 - Parallelroboter

Info

Publication number: DE102010006155A1
Application number: DE102010006155A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kinoshita; Hikaru Yamashiro
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2030-01-30
Also published as: JP2010173019A; CN101791797A; DE102010006155B4; JP4598864B2; US8047093B2; CN101791797B; US20100186534A1

Abstract

Parallelroboter, der einen Antriebsmechanismus für einen bewegbaren Abschnitt aufweist, der eine Parallelmechanismuskonfiguration hat und so arbeitet, dass der bewegbare Abschnitt eine Translationsbewegung entlang drei Achsen bezüglich eines Basisabschnitts ausführen kann; und einen Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt, der so arbeitet, dass der Handgelenkabschnitt eine Rotationsbewegung bezüglich des bewegbaren Abschnitts ausführen kann. Der Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt weist einen hohlen äußeren Halter auf, der mit dem Basisabschnitt verbunden und um eine erste Rotationsachse drehbar ist; einen hohlen mittleren Halter, der im äußeren Halter angeordnet und um eine orthogonal zur ersten Rotationsachse verlaufende zweite Rotationsachse drehbar ist; einen hohlen inneren Halter, der im Innern des mittleren Halters angeordnet und um eine orthogonal zur zweiten Rotationsachse verlaufende dritte Rotationsachse drehbar ist; eine Antriebsmaschine, die den äußeren Halter zur Drehung um die erste Rotationsachse antreibt; und ein Übertragungselement, das im inneren Halter aufgenommen und linear in einem drehfesten Zustand entlang einer orthogonal zur dritten Rotationsachse verlaufenden Linearbewegungsachse bewegbar und an einem vom inneren Halter beabstandeten Ende über ein Übertragungsgelenk mit dem Handgelenkabschnitt verbunden ist. Das Übertragungselement fungiert zur Übertragung der Rotation des äußeren Halters um die erste Rotationsachse an den ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Parallelroboter.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Ein Parallelroboter wird als ein Manipulator mit einem so genannten Parallelmechanismus bereitgestellt, bei dem ein Basisabschnitt (oder ein stationärer Teil) und ein bewegbarer Abschnitt (oder ein Abtriebsteil) miteinander durch eine Mehrzahl parallel angeordneter Gestänge verbunden sind. Im Vergleich mit einem seriellen Roboter wie einem Gelenkroboter kann ein Parallelroboter Eigenschaften wie hohe Geschwindigkeit, hohe Leistung, hohe Genauigkeit, hohe Steifigkeit etc. auf einfache Weise sicherstellen. Insbesondere ist es bekannt, dass bei einem Parallelroboter, bei dem der bewegbare Abschnitt nur eine Translationsbewegung entlang drei Achsen relativ zum Basisabschnitt ausführt, ein Hilfsantriebsmechanismus zum Steuern der Ausrichtung eines Werkzeugs, wie einer Hand (auch als End-Effector bekannt), das am bewegbaren Abschnitt angebracht ist, zusätzlich zu einem Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt einschließlich der parallelen Gestängestrukturen bereitgestellt ist.
Die japanische Auslegeschrift (Kokoku) Nr. 4-45310 ( JP4-45310B ) beschreibt einen Parallelroboter, der zusätzlich zu einem Antriebsmechanismus für den bewegbaren Teil (d. h. Gestängestrukturen und Gestängeantriebsmotoren) mit einer Parallelmechanismuskonfiguration versehen ist, die zwischen einem Basiselement und einem bewegbaren Element angeordnet ist, wobei ein Hilfsantriebsmechanismus zum Drehen eines am bewegbaren Element angebrachten Funktionselements vorgesehen ist, der einen am Basiselement angeordneten Motor und einen Teleskoparm aufweist, um das Motordrehmoment an das Funktionselement zu übertragen. Die japanische Offenlegungsschrift (Kohyo) Nr. 2002-532269 ( JP2002-532269A ) beschreibt ebenfalls einen Parallelroboter, der dem gemäß JP4-45310B ähnlich ist. Ein Hilfsantriebsmechanismus des Parallelroboters der JP2002-532269A ist mit einer ausfahrbaren Welle mit Teleskopstruktur ausgeführt, die durch Zusammenbauen eines äußeren Rohres und einer inneren Welle gebildet wird. Eine ”rohrförmige Hartbuchse” ist im äußeren Rohr als Lagerelement vorgesehen, um die innere Welle linear im äußeren Rohr zu führen.
Das japanische Patent Nr. 4109062 ( JP4109062B ) beschreibt einen Parallelroboter, der zusätzlich zu einem Antriebsmechanismus für ein tragendes Element (d. h. Parallelgestänge und Antriebsmotoren der Gestänge) mit einer Parallelmechanismuskonfiguration, die zwischen einem Basiselement und einem tragenden Element angeordnet ist, mit einem Hilfsantriebsmechanismus zum Drehen eines am tragenden Element angebrachten Halteelements versehen ist und einen am Basiselement angeordneten Motor sowie eine Welle mit variabler Länge aufweist, um das Motordrehmoment zum Haltelement zu übertragen. Im Gegensatz zu den in der JP4-45310B und der JP2002-532269A beschriebenen Teleskopkonfigurationen enthält die Welle mit veränderlicher Länge ein nebeneinander und parallel versetzt zueinander angeordnetes Paar Stangen, wobei die Stangen so konfiguriert sind, dass sie sich relativ zueinander parallel bewegen, wobei ein zueinander paralleler Zustand unter der Führungsfunktion von ”Gleitlagerelementen” aufrechterhalten wird, die jeweils an den Stangen vorgesehen sind. Die JP4109062B beschreibt eindeutig eine Konfiguration, bei der die Stangen der Welle mit veränderlicher Länge jeweils mit dem Motor am Basiselement und dem Halteelement über jeweilige Übertragungsgelenke gekoppelt sind.
Wie oben beschrieben, verwendet ein Hilfsantriebsmechanismus zum Steuern der Ausrichtung eines am bewegbaren Abschnitt des Parallelroboters angebrachten Werkzeugs auf herkömmliche Weise ein ausfahrbares im Wesentlichen stabförmiges Element mit einer Teleskopkonfiguration ( JP4-453106 und JP2002-532269A ) oder einer linear verschieblichen Parallelkonfiguration ( JP4109062B ) als Übertragungselement zum Übertragen des Motordrehmoments an das Werkzeug. Das Übertragungselement kann sich also verlängern und verkürzen, während es der durch den Parallelmechanismus bewirkten Translationsbewegung des bewegbaren Abschnitts entlang drei Achsen ruckfrei folgt, und kann dadurch das Motordrehmoment an das Werkzeug am bewegbaren Abschnitt übertragen, wenn sich der bewegbare Abschnitt in einer gewünschten (oder befehlsgesteuerten) räumlichen Position im Arbeitsraum des bewegbaren Abschnitts befindet.
Beim oben beschriebenen herkömmlichen Parallelroboter ist das Übertragungselement, das aus dem ausfahrbaren stabförmigen Element im Hilfsantriebsmechanismus zum Steuern der Werkzeugausrichtung gebildet ist, jeweils mit dem Motor am Basis abschnitt und dem Werkzeug am bewegbaren Abschnitt direkt oder indirekt über jeweilige Übertragungsgelenke verbunden. Wenn sich das Übertragungselement im Betrieb verlängert oder verkürzt, können sich deshalb eine lineare Lagerkomponente, die zwischen einem Paar stabförmiger Elemente bei der Teleskopkonfiguration oder der linear verschieblichen Parallelkonfiguration (”rohrförmige Hartbuchse” gemäß JP2002-532269A oder ”Gleitlagerelemente” gemäß JP4109062B ) angeordnet ist, und eine Übertragungsgelenkkomponente, die am distalen Ende jedes stabförmigen Elements angeordnet ist, gegenseitig behindern, so dass der Verlängerungs-/Verkürzungshub des Übertragungselements eingeschränkt ist und deshalb der für den bewegbaren Abschnitt eigentlich vorgesehene Arbeitsraum eingeschränkt werden kann. Ferner neigt das aus einem Paar stabförmiger Elemente zusammengebaute Übertragungselement dazu, eine relativ hohe Trägheitskraft zu entwickeln, so dass die Gefahr einer Beeinträchtigung des bewegbaren Abschnitts durch die Trägheitskraft des Übertragungselements besteht. Wenn der Durchmesser jedes stabförmigen Elements verringert wird, um die Trägheitskraft zu begrenzen, besteht die Gefahr, dass Steifigkeit oder Arbeitsgenauigkeit des Übertragungselements verschlechtert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt als einen Aspekt einen Parallelroboter mit einem Hilfsantriebsmechanismus zum Steuern der Ausrichtung eines an einem bewegbaren Abschnitt angebrachten Werkzeugs bereit, der das Problem so lösen kann, dass der für den bewegbaren Abschnitt eigentlich vorgesehene und durch den Parallelmechanismus bestimmte begrenzte Arbeitsraum begrenzt wird, und der die Steifigkeit und Arbeitsgenauigkeit des Hilfsantriebsmechanismus verbessern kann.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Parallelroboter bereit, mit: einem Basisabschnitt; einem bewegbaren Abschnitt, der sich bezüglich des Basisabschnitts bewegen kann; einem Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt mit einer Parallelmechanismuskonfiguration, der zwischen dem Basisabschnitt und dem bewegbaren Abschnitt vorgesehen ist, wobei der Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt so arbeitet, dass er eine Translationsbewegung entlang drei Achsen bezüglich des Basisabschnitts ausführen kann; einem Handgelenkabschnitt, der drehbar im bewegbaren Abschnitt vorgesehen ist; und einem Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt, der so arbeitet, dass der Handgelenkabschnitt eine Rotationsbewegung bezüglich des bewegbaren Abschnitts ausführen kann. Der Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt umfasst einen hohlen äußeren Halter, der mit dem Basisabschnitt verbunden und um eine erste Rotationsachse drehbar ist; einen hohlen mittleren Halter bzw. Zwischenhalter, der im Innern des äußeren Halters angeordnet und um eine orthogonal zur ersten Rotationsachse verlaufende zweite Rotationsachse drehbar ist; einen hohlen inneren Halter, der innerhalb des mittleren Halters bzw. Zwischenhalter angeordnet und um eine orthogonal zur zweiten Rotationsachse verlaufende dritte Rotationsachse drehbar ist; eine Antriebsmaschine, die den äußeren Halter zur Drehung um die erste Rotationsachse antreibt; und ein stabförmiges Übertragungselement, das im inneren Halter aufgenommen und linear in einem drehfesten Zustand entlang einer orthogonal zur dritten Rotationsachse verlaufenden Linearbewegungsachse bewegbar ist, wobei das stabförmige Übertragungselement an einem Ende im Abstand zum inneren Halter über ein Übertragungsgelenk mit dem Handgelenkabschnitt verbunden ist. Das Übertragungselement hat die Funktion, die Rotation des äußeren Halters um die erste Rotationsachse an den Handgelenkabschnitt zu übertragen, und dem Handgelenkabschnitt eine Rotationsbewegung um eine vierte Rotationsachse zu ermöglichen, die orthogonal zur dritten Rotationsachse verläuft.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen; es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Parallelroboters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine senkrechte Schnittansicht durch den Parallelroboter von 1;
3 eine vergrößerte Schnittansicht eines bewegbaren Abschnitts und eines Handgelenkabschnitts des Parallelroboters von 1;
4A und 4B vergrößerte Schnittansichten eines Hauptabschnitts eines Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt des Parallelroboters von 1, wobei 4A eine senkrechte Schnittansicht der Halterbaugruppe und 4B eine andere senkrechte Schnittansicht der Halterbaugruppe zeigen;
5 eine vergrößerte Schnittansicht eines Hauptabschnitts des Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt des Parallelroboters von 1; und
6 eine vergrößerte Schnittansicht eines bewegbaren Abschnitts und eines Handgelenkabschnitts eines Parallelroboters gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind gleiche oder ähnliche Komponenten mit identischen Bezugszeichen versehen.
Nunmehr sei auf die Zeichnungen verwiesen, von denen die 1 und 2 einen Parallelroboter 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. Der Parallelroboter 10 ist ein Manipulator mit einem so genannten Parallelmechanismus, bei dem ein Basisabschnitt und ein bewegbarer Abschnitt durch drei zusammengebaute parallel angeordnete Gestängestrukturen miteinander verbunden sind. Er weist eine Konfiguration auf, bei der der bewegbare Abschnitt nur eine Translationsbewegung entlang drei Achsen bezüglich des Basisabschnitts ausführt wie nachstehend beschrieben (mit anderen Worten, der Parallelroboter 10 ist mit einem Parallelmechanismus mit drei Freiheitsgraden ausgeführt). Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt, sondern kann auch auf eine Konfiguration angewendet werden, bei der ein Parallelmechanismus vier oder mehr Freiheitsgrade hat, wobei der bewegbare Abschnitt eine Rotationsbewegung entlang einer, zwei oder drei Achsen bezüglich des Basisabschnitts zusätzlich zur Translationsbewegung entlang drei Achsen ausführen kann.
Der Parallelroboter 10 umfasst einen Basisabschnitt 12; einen bewegbaren Abschnitt 14, der sich bezüglich des Basisabschnitts 12 bewegen kann; einen Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt, der eine Parallelmechanismuskonfiguration aufweist und zwischen dem Basisabschnitt 12 und dem bewegbaren Abschnitt 14 vorgesehen ist, wobei der Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt so arbeitet, dass der bewegbare Abschnitt 14 eine Translationsbewegung entlang drei Achsen bezüglich des Basisabschnitts 12 ausführen kann; einen Handgelenkabschnitt 18, der drehbar im bewegbaren Abschnitt 14 vorgesehen ist; und einen Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt, der so arbeitet, dass der Handgelenkabschnitt 18 eine Rotationsbewegung bezüglich des bewegbaren Abschnitts 14 ausführen kann.
Der Basisabschnitt 12 ist aus einer plattenartigen Struktur gebildet, die auf einer seitlich und waagrecht überstehenden Weise auf der Oberseite einer bogenförmigen senkrechten Wand 22 auf einer Anbauoberfläche für den Parallelroboter 10 fest angebaut ist. Der Basisabschnitt 12 ist als ein stationäres Element zum Tragen mehrerer Komponenten des Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt und für den nachstehend beschriebenen Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt konfiguriert. Eine Abdeckung 24 ist fest an der Oberseite des Basisabschnitts 12 angebracht, um die Antriebsmotoren, die Kraftübertragungsmechanismen etc. abzudecken.
Der Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt umfasst drei zusammengebaute Gestängestrukturen 26, die parallel zueinander angeordnet sind und drei Antriebsmaschinen (oder Servomotoren) 28 (in 2 ist nur ein Motor dargestellt) für den Antrieb der jeweiligen zusammengebauten Gestängestrukturen 26. Jede zusammengebaute Gestängestruktur 26 enthält ein Antriebsgestänge 30, das mit dem Basisabschnitt 12 und dem Abtriebsteil einer entsprechenden Antriebsmaschine 28 über eine Mehrzahl Drehkörperpaare und ein Hilfsgestänge gelenkig verbunden ist, und ein paralleles Paar angetriebener Gestänge 23, das über ein Drehkörperpaar gelenkig mit dem distalen Ende des Antriebsgestänges 30 verbunden ist. Die parallelen angetriebenen Gestänge 32 sind an ihren distalen Enden über ein Drehkörperpaar gelenkig mit dem bewegbaren Abschnitt 14 verbunden. Genauer gesagt sind Übertragungsgelenke (von denen jedes z. B. einen Satz Drehkörperpaare enthält) zwischen dem Antriebsgestänge 30 und den angetriebenen Gestängen 32 sowie zwischen den angetriebenen Gestängen 32 und dem bewegbaren Abschnitt 14 vorgesehen.
Das Antriebsgestänge 30 wird von der Antriebsmaschine 28 so angetrieben, dass es in einer virtuellen Ebene, die senkrecht zum Basisabschnitt 12 liegt, variabel schwingt. Die angetriebenen Gestänge 32 werden beim Mitschwingen mit dem Antriebsgestänge 30 ausgelenkt. Bei dieser Verbindung sind die angetriebenen Gestän ge 32 einer zusammengebauten Gestängestruktur 26 mit den angetriebenen Gestängen 32 der anderen zwei zusammengebauten Gestängestrukturen über den bewegbaren Abschnitt 14 verbunden, so dass die jeweiligen parallelen angetriebenen Gestänge 32 der drei zusammengebauten Gestängestrukturen 26 je nach dem Schwingmodus der drei Antriebsgestänge 30 variabel schwingen.
Die drei zusammengebauten Gestängestrukturen 26 haben eine Konfiguration, bei der die jeweiligen Antriebsgestänge 30 mit dem Basisabschnitt 12 an drei festen um einen Mittenwinkel von jeweils 120° am Basisabschnitt 12 voneinander beabstandeten Positionen verbunden sind. Als Ergebnis führt der bewegbare Abschnitt 14 als Reaktion auf den Betrieb des Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt nur eine Translationsbewegung entlang drei Achsen relativ zum Basisabschnitt 12 aus.
Wie in 3 dargestellt ist, ist der bewegbare Abschnitt 14 aus einem scheibenartigen Element mit einer mittleren Durchgangsbohrung 34 gebildet und hat an drei Positionen am Außenumfang Gelenkteile 36, mit denen die parallelen angetriebenen Gestänge 32 jeweils verbunden sind. Eine Rotationslagereinheit 38 ist in der Durchgangsbohrung 34 des bewegbaren Abschnitts 14 vorgesehen. Der Handgelenkabschnitt 18 ist an der Rotationslagereinheit 38 befestigt und drehbar im Innern der Durchgangsbohrung 34 gelagert (die Mittellinie der Rotation des Handgelenkabschnitts 18 wird als vierte Rotationsachse 18a bezeichnet). Der Handgelenkabschnitt 18 umfasst ein Rotationselement 40, das am bewegbaren Abschnitt 14 gelagert und um die vierte Rotationsachse 18a drehbar ist. Das Rotationselement 40 hat eine zylindrische Außenumfangsoberfläche, an der der Innenring der Rotationslagereinheit 38 befestigt ist, und ein axiales Ende (in der Zeichnung das untere Ende), das eine Anbaufläche 42 aufweist, an der ein Werkzeug (oder ein End-Effector) wie eine Hand (nicht dargestellt) angebracht ist. Eine angetriebene Komponente eines Übertragungsgelenks, die zum Verbinden eines Übertragungselements (nachstehend beschrieben) des Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt am Handgelenkabschnitt 18 dient, ist fest am anderen axialen Ende (in der Zeichnung das obere Ende) angebracht.
Der Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt ist als Hilfsantriebsmechanismus zum Steuern der Ausrichtung des Werkzeugs (nicht dargestellt) konfiguriert, das am Handgelenkabschnitt 18 (oder am Rotationselement 40) befestigt und am bewegbaren Abschnitt 14 installiert ist. Wie die 2 bis 5 zeigen, umfasst der Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt eine Halterbaugruppe 50, die durch Zusammenbauen dreier hohlzylindrischer Halter 44, 46 und 48 auf eine solche Weise gebildet wird, dass sie relativ zueinander in einer dreifach ineinander gesteckten Struktur drehbar sind, sowie eine Antriebsmaschine (oder einen Servomotor) 52 (5), der den äußeren Halter 44 der Halterbaugruppe 50 zur Rotation antreibt, und ein stabförmiges Übertragungselement 54, das linear bewegbar in einem inneren Halter 48 der Halterbaugruppe 50 aufgenommen ist.
Der Basisabschnitt 12 hat in einer im wesentlichen zentralen Position bezüglich der drei zusammengebauten Gestängestrukturen 26 einen hohlzylindrischen Sitzabschnitt 56, der so ausgebildet ist, dass er in Richtung der Abdeckung 24 hervorsteht. Der äußere Halter 44 der Halterbaugruppe 50 ist über eine Rotationslagereinheit 58 am Sitzabschnitt 56 angebracht. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Innenring der Rotationslagereinheit 58 an einer axialen Endzone (in der Zeichnung Zone am unteren Ende) der Außenumfangsoberfläche des äußeren Halters 44 befestigt, der Außenring der Rotationslagereinheit 58 ist an der Innenumfangsoberfläche eines hohlzylindrischen Anbauelements 60 befestigt, und das Anbauelement 60 ist an einem axialen Ende (in der Zeichnung am oberen Ende) des Sitzabschnitts 56 befestigt (5). In diesem Zustand ist der äußere Halter 44 mit dem Basisabschnitt 12 verbunden und um eine erste Rotationsachse 44a drehbar, die senkrecht zum Basisabschnitt 12 verläuft (d. h. bezüglich der Anbauoberfläche für den Parallelroboter 10), wobei der Innenraum des äußeren Halters 44 koaxial zu und in Verbindung mit dem Innenraum des Sitzabschnitts 56 angeordnet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform fällt die erste Rotationsachse 44a mit der geometrischen Mittellinie des zylindrischen äußeren Halters 44 zusammen. Der Außenring der Rotationslagereinheit 58 kann direkt am Sitzabschnitt 56 ohne Verwendung des Anbauelements 60 befestigt sein.
Wie in 4A dargestellt hat der mittlere Halter 46 der Halterbaugruppe 50 eine Außenumfangsoberfläche, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Innenumfangsoberfläche des äußeren Halters 44, und ein Paar Spindeln 62, die radial nach außen ragen und an vorgegebenen einander gegenüberliegenden Positionen, die voneinander um einen Mittenwinkel von 180° beabstandet sind, an der Außenumfangsoberfläche des mittleren Halters 46 ausgebildet sind. Die Spindeln 62 sind so angeordnet, dass ihre geometrischen Mittellinien zusammenfallen und orthogonal zur geometrischen Mittellinie des mittleren Halters 46 verlaufen. Andererseits ist der äußere Halter 44 mit einem Paar Spindelbohrungen 64 versehen, die ihn radial durchdringen und an vorgegebenen einander gegenüberliegenden Positionen, die voneinander um einen Mittenwinkel von 180° beabstandet sind, auf der Innenum fangsoberfläche des äußeren Halters 44 ausgebildet sind. Die Spindelbohrungen 64 sind so angeordnet, dass ihre geometrischen Mittellinien zusammenfallen und orthogonal zur geometrischen Mittellinie des äußeren Halters 44 verlaufen.
Der mittlere Halter 46 ist am äußeren Halter 44 über ein Paar Rotationslagereinheiten 66 angebracht, die jeweils in den Spindelbohrungen 64 angeordnet sind, wobei die Spindeln 62 des mittleren Halters 46 jeweils in die entsprechende Spindelbohrung 64 des äußeren Halters 44 eingesetzt sind. Genauer gesagt ist der Innenring jeder Rotationslagereinheit 66 an der Außenumfangsoberfläche jeder Spindel 62 des mittleren Halters 46 und der Außenring jeder Rotationslagereinheit 66 an der Innenumfangsoberfläche jeder Spindelbohrung 64 des äußeren Halters 44 befestigt. In diesem Zustand befindet sich der mittlere Halter 46 im Innern des äußeren Halters 44 und ist um eine zweite Rotationsachse 46a drehbar, die sowohl zur geometrischen Mittellinie des mittleren Halters 46 als auch zur ersten Rotationsachse 44a orthogonal verläuft.
Wie in 4B dargestellt hat der innere Halter 48 der Halterbaugruppe 50 eine Außenumfangsoberfläche, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Innenumfangsoberfläche des mittleren Halters 46, und ein Paar Spindeln 68, die radial nach außen ragen und an vorgegebenen einander gegenüberliegenden Positionen, die voneinander um einen Mittenwinkel von 180° beabstandet sind, an der Außenumfangsoberfläche des inneren Halters 48 ausgebildet sind. Die Spindeln 68 sind so angeordnet, dass ihre geometrischen Mittellinien zusammenfallen und orthogonal zur geometrischen Mittellinie des inneren Halters 48 verlaufen. Andererseits ist der mittlere Halter 46 mit einem Paar Spindelbohrungen 70 versehen, die ihn radial durchdringen und an vorgegebenen einander gegenüberliegenden Positionen, die voneinander um einen Mittenwinkel von 180° und vom Spindelpaar 68 um einen Mittenwinkel von 90° beabstandet sind, ausgeführt. Die Spindelbohrungen 70 sind so angeordnet, dass ihre geometrischen Mittellinien zusammenfallen und orthogonal zur geometrischen Mittellinie des mittleren Halters 46 verlaufen.
Der innere Halter 48 ist am mittleren Halter 46 über ein Paar Rotationslagereinheiten 72 angebracht, die jeweils in den Spindelbohrungen 70 angeordnet sind, wobei die Spindeln 68 des inneren Halters 48 in die jeweilige Spindelbohrung 70 des mittleren Halters 46 eingesetzt sind. Genauer gesagt ist der Innenring jeder Rotationslagereinheit 72 an der Außenumfangsoberfläche jeder Spindel 68 des inneren Halters 48 und der Außenring jeder Rotationslagereinheit 72 an der Innenumfangsoberfläche jeder Spindelbohrung 70 des mittleren Halters 46 befestigt. In diesem Zustand befindet sich der innere Halter 48 im Innern des mittleren Halters 46 und ist um eine dritte Rotationsachse 48a drehbar, die sowohl zur geometrischen Mittellinie des inneren Halters 48 als auch zur zweiten Rotationsachse 46a orthogonal verläuft.
Ein Zahnrad 74 als Kraftübertragungselement ist am anderen axialen Ende (in der Zeichnung am oberen Ende) der Außenumfangsoberfläche des äußeren Halters 44 befestigt. Eine Abtriebswelle 76 der Antriebsmaschine (oder des Servomotors) 52 kämmt mit dem Zahnrad 74 (5). Die Antriebsmaschine 52 treibt den äußeren Halter 44 über das Zahnrad 74 so an, dass er sich um die erste Rotationsachse 44a dreht. Anstelle des Zahnrades 74 können alternativ eine Riemenscheibe als Kraftübertragungselement verwendet werden.
Das Übertragungselement 54 ist ein monolithisches oder einteiliges stabförmiges Element mit einer Außenumfangsoberfläche, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Innenumfangsoberfläche des inneren Halters 48 der Halterbaugruppe 50, und über ein Linearlagerelement 78 im Innern des inneren Halters 48 am inneren Halter 48 angebracht. In diesem Zustand wird das Übertragungselement 54 im inneren Halter 48 aufgenommen und ist linear über die gesamte Länge des Übertragungselements 54 in einem drehfesten Zustand entlang der Linearbewegungsachse 54a parallel zu den geometrischen Mittellinien sowohl des Übertragungselements 54 als auch des inneren Halters 48 und senkrecht zur dritten Rotationsachse 48a bewegbar. Bei der dargestellten Ausführungsform fällt die Linearbewegungsachse 54a mit den geometrischen Mittellinien sowohl des Übertragungselements 54 als auch des inneren Halters 48 zusammen.
Zur Verbesserung der Steuerungsgenauigkeit bei der Ausrichtung des Werkzeugs ist es erforderlich, dass das Linearlagerelement 78, das das Übertragungselement 54 im drehfesten Zustand führt, die Abtriebsleistung der Antriebsmaschine 52 bei möglichst geringem Leistungsverlust an das Übertragungselement 54 übertragen kann. Unter diesem Gesichtspunkt kann eine Keilmutter einer Kugelführungseinheit vorzugsweise als das Linearlagerelement 78 verwendet werden. In diesem Fall hat das Übertragungselement 54 die Konfiguration einer Keilwelle der Kugelführungseinheit. Die Kugelführungseinheit ist im Stand der Technik bekannt und wird deshalb hierin nicht ausführlich beschrieben.
Die Halterbaugruppe 50 fungiert als Übertragungsgelenk, das zwischen dem Übertragungselement 54 und dem Basisabschnitt 12 oder der Abtriebswelle 76 der Antriebsmaschine 52 angeordnet ist und eine spezielle Ausführung hat, die eine Relativbewegung entlang der geometrischen Mittellinie (oder der Linearbewegungs achse 54a) des Übertragungselements 54 ermöglicht. Im Einzelnen ist der äußere Halter 44 eine antriebsseitige Komponente und der innere Halter 48 eine abtriebsseitige Komponente des Spezial-Übertragungsgelenks. Deshalb kann das Übertragungselement 54 entweder in einer Lagebeziehung, in der die Linearbewegungsachse 54a parallel zur ersten Rotationsachse 44a des äußeren Halters 44 liegt, oder in einer Lagebeziehung, in der die Linearbewegungsachse 54a schräg zur ersten Rotationsachse 44a verläuft, zusammen oder integral mit dem inneren Halter 48 synchron mit der Rotation des von der Antriebsmaschine 52 angetriebenen äußeren Halters 44 um die Linearbewegungsachse 54a rotieren. Für die Halterbaugruppe 50 wird der zulässige Neigungswinkel des Übertragungselements 54 relativ zum äußeren Halter 44 (d. h. der Linearbewegungsachse 54a relativ zur ersten Rotationsachse 44a) durch die relative Lagebeziehung und der maßlichen Beziehung zwischen dem äußeren 44, dem mittleren 46 und dem inneren Halter 48 bestimmt. Bei der typischen Arbeit des Parallelroboters 10 (z. B. Handhabungsarbeit) ist es wünschenswert, dass das Übertragungselement 54 im Bereich von ca. 0 bis 40° geneigt werden kann. Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, kann die Halterbaugruppe 50, die durch Zusammenbauen dreier hohlzylindrischer Halter 44, 46, 48 zu einer dreifach ineinander gesteckten Struktur auf eine solche Weise gebildet werden, dass der mittlere Halter 46 und der innere Halter 48 nicht wesentlich aus dem äußeren Halter 44 nach außen hervorstehen. Es ist deshalb möglich, die Gesamtabmessungen der Halterbaugruppe 50 problemlos zu verringern, ohne die erforderliche Funktionalität des Übertragungsgelenks zu beeinträchtigen.
Das Übertragungselement 54 ist an einem Ende (in der Zeichnung am unteren Ende) im Abstand zum inneren Halter 48 der Halterbaugruppe 50 über ein Übertragungsgelenk 80 mit einem typischen Aufbau schwenkbar mit dem Handgelenkabschnitt 18 (oder dem Rotationselement 40) verbunden (3). Bei dieser Konfiguration arbeitet das Übertragungselement 54 zur ruckfreien Übertragung der Rotation des äußeren Halters 44 um die erste Rotationsachse 44a der Halterbaugruppe 50 an den Handgelenkabschnitt 18 (oder das Rotationselement 40) und um es dem Handgelenkabschnitt 18 (oder dem Rotationselement 40) zu ermöglichen, eine Rotationsbewegung um die orthogonal zur dritten Rotationsachse 48a verlaufende vierte Rotationsachse 18a der Halterbaugruppe 50 auszuführen. Bei dieser Verbindung ist der Handgelenkabschnitt 18 (oder das Rotationselement 40) durch die Rotationslagereinheit 38 am bewegbaren Abschnitt 14 angebracht, und es ist deshalb möglich, die Ausrichtungssteuerung eines Werkzeugs (nicht dargestellt) in einer Achse durch eine einfache Konfiguration zu implementieren.
Insbesondere kann beim Parallelroboter 10 das Übertragungselement 54 der Translationsbewegung entlang drei Achsen des bewegbaren Abschnitts 14 und des Handgelenkabschnitts 18 aufgrund des Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt mit der Parallelmechanismuskonfiguration ruckfrei folgen und sich somit entlang der Linearbewegungsachse 54a bezüglich der Halterbaugruppe 50 als Übertragungsgelenk, das zwischen dem Übertragungselement 54 und dem Basisabschnitt 12 oder der Abtriebswelle 76 der Antriebsmaschine angeordnet ist, passiv bewegen. Als Ergebnis kann das Drehmoment der Antriebsmaschine 52 zuverlässig an das Werkzeug (nicht dargestellt) am Handgelenkabschnitt 18 übertragen werden, wenn sich der bewegbare Abschnitt 14 und der Handgelenkabschnitt 18 in einer gewünschten (oder befehlsgesteuerten) räumlichen Position im Arbeitsraum befinden. Bei dieser Verbindung treibt der Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt den bewegbaren Abschnitt 14 so an, dass der bewegbare Abschnitt 14 nur eine Translationsbewegung entlang drei Achsen bezüglich des Basisabschnitts 12 ausführt. Deshalb ist die vierte Rotationsachse 18a des Handgelenkabschnitts 18 während des Betriebs des Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt stets parallel zur ersten Rotationsachse 44a der Halterbaugruppe 50 angeordnet. Als Ergebnis entspricht die Winkelgeschwindigkeit des äußeren Halters 44 ungeachtet des Neigungswinkels des Übertragungselements 54 bezüglich des Basisabschnitts 12 der Winkelgeschwindigkeit des Handgelenkabschnitts 18 (oder des Rotationselements 40) und es ist deshalb möglich, eine hochgenaue Steuerung der Werkzeugausrichtung auf einfache Weise zu implementieren. Wenn bei der oben beschriebenen Konfiguration das Übertragungselement 54 der Translationsbewegung entlang drei Achsen des bewegbaren Abschnitts 14 und des Handgelenkabschnitts 18 folgt, hat das Übertragungselement 54 die Neigung, aus dem äußeren Halter 44 der auf dem Basisabschnitt 12 getragenen Halterbaugruppe 50 unter verschiedenen Winkeln und mit verschiedener Länge nach oben herauszuragen. Um eine gegenseitige Störung zwischen der Antriebsmaschine 52 und dem Übertragungselement 54 zu verhindern, ist es deshalb vorteilhaft, wenn die Antriebsmaschine 52 des Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt auf dem Basisabschnitt 12 an einer Position neben dem äußeren Halter 44 getragen wird, so dass sie nicht über den äußeren Halter 44 hinaus in einer Richtung (in der Zeichnung nach oben) vom bewegbaren Abschnitt 14 weg hervorragt (5).
Wie oben beschrieben hat beim Parallelroboter 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt als Hilfsantriebsmechanismus zum Steuern der Werkzeugausrichtung eine Konfiguration, bei der die Antriebsmaschine 52 und das Übertragungselement 54 durch eine als Übertragungsgelenk fungierende Halterbaugruppe 50, die durch Zusammenbauen dreier um die gegenseitig orthogonal verlaufenden Achsen 44a, 46a, 48a zur Bildung einer dreifach ineinander gesteckten Struktur konfiguriert ist, verbunden sind, und das Übertragungselement 54 führt passiv eine Linearbewegung im drehfesten Zustand bezüglich des inneren Halters 48 als eine antriebsseitige Komponente in der Halterbaugruppe 50 aus, so dass dann, wenn sich der bewegbare Abschnitt 14 und der Handgelenkabschnitt 18 an einer gewünschten räumlichen Position innerhalb des Arbeitsraums befinden, es möglich ist, das Drehmoment der Antriebsmaschine 52 an den Handgelenkabschnitt 18 zu übertragen und so die Werkzeugausrichtung zu steuern. Bei dieser Verbindung ist bei einem herkömmlichen Parallelroboter ein Übertragungselement, das in einem Hilfsantriebsmechanismus zum Steuern der Werkzeugausrichtung verwendet wird, aus einem Paar stabförmiger Elemente konfiguriert, die eine Teleskopkonfiguration oder eine linear verschiebliche Parallelkonfiguration aufweisen, so dass durch gegenseitige Behinderung zwischen den Komponenten eines Paares Übertragungsgelenke, die für die jeweiligen stabförmigen Elemente vorgesehen sind, und einer linearen Lagerkomponente als vom Übertragungsgelenk getrenntes Element der Verlängerungs-/Verkürzungshub des Übertragungselements eingeschränkt werden kann. Beim Parallelroboter 10 dagegen ist der innere Halter 48 als lineare Lagerkomponente für das Übertragungselement 54 mit der Halterbaugruppe 50 als eines der Übertragungsgelenke für das Übertragungselement 54 strukturell integriert, und deshalb ist es möglich, den Linearbewegungshub des Übertragungselements 54 in einem Bereich sicherzustellen, der im Wesentlichen durch die Gesamtlänge des Übertragungselements 54, d. h. bis sich ein Paar Übertragungsgelenke (d. h. die Halterbaugruppe 50 und das Übertragungsgelenk 80) gegenseitig behindert, definiert wird. Als Ergebnis ist es beim Parallelroboter 10 möglich, das Drehmoment der Antriebsmaschine 52 zuverlässig an den Handgelenkabschnitt 18 zu übertragen und so die Werkzeugausrichtung selbst dann zu steuern, wenn sich der bewegbare Abschnitt 14 und der Handgelenkabschnitt 18 in einer beliebigen räumlichen Position innerhalb des eigentlich für den bewegbaren Abschnitt 14 und den Handgelenkabschnitt 18 vorgesehenen Arbeitsraums befinden, der vom Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt mit der Parallelmechanismuskonfiguration bestimmt wird, ohne dass dieser durch die Konfiguration des Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt eingeschränkt wird.
Ferner ergeben sich für den herkömmlichen Parallelroboter Probleme aufgrund der Trägheitskraft des Übertragungselements, das durch Zusammenbauen eines Paares stabförmiger Elemente gebildet wird. Beim Parallelroboter 10 ist dagegen das Übertragungselement 54 zur linearen Bewegung in seiner Gesamtheit bezüglich der Hal terbaugruppe 50, die als Übertragungsgelenk fungiert, konfiguriert, so dass das Übertragungselement 54 als monolithisches oder einteiliges stabförmiges Element hergestellt werden kann. Als Ergebnis ist es beim Parallelroboter 10 möglich, eine ausreichende Steifigkeit des Übertragungselements 54 sicherzustellen und die Arbeitsgenauigkeit des Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt zu verbessern, wobei Bedenken, dass die Trägheitskraft des Übertragungselements 54 die Bewegung des bewegbaren Abschnitts 14 beeinträchtigt, ausgeräumt werden. Ferner kann die Halterbaugruppe 50, die durch Zusammenbauen der drei Halter 44, 46, 48 zur Bildung einer dreifach ineinander gesteckten Struktur konfiguriert ist, die Steifigkeit eines Drehmomentübertragungsabschnitts im Vergleich zu einem Übertragungsgelenk mit einer typischen Struktur (z. B. das Übertragungsgelenk 80) ohne Weiteres erhöhen, so dass Steifigkeit und Arbeitsgenauigkeit des Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt wirksamer verbessert werden können.
6 zeigt einen bewegbaren Abschnitt 100 und einen Handgelenkabschnitt 102 eines Parallelroboters gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Parallelroboter gemäß dieser Ausführungsform hat Komponenten, die im Wesentlichen identisch mit denen des oben beschriebenen Parallelroboters 10 mit Ausnahme der Konfiguration des bewegbaren Abschnitts 100 und des Handgelenkabschnitts 102 sind, und deshalb sind die im Wesentlichen identische Komponenten nicht in der Zeichnung dargestellt, aber nachstehend bei Verwendung der gleichen Bezugszeichen beschrieben.
Der Parallelroboter gemäß der dargestellten Ausführungsform weist drei Antriebsmechanismen 20 für den Handgelenkabschnitt auf (mit jeweils einer Halterbaugruppe 50, einer Antriebsmaschine 52 und einem Übertragungselement 54), die unabhängig voneinander arbeiten können. Ein Basisabschnitt 12 ist daran angeordnet, der drei Sitzabschnitte 56 hat, von denen jeder dem in 2 dargestellten Sitzabschnitt 56 ähnlich ist, und die an geeigneten Positionen um eine allgemein zentrale Position bezüglich der drei zusammengebauten Gestängestrukturen 26 ausgebildet sind. Die äußeren Halter 44 der Halterbaugruppen 50 sind am jeweiligen Sitzabschnitt 56 angebracht. Als Ergebnis sind die drei Antriebsmechanismen 20 für den Handgelenkabschnitt so konfiguriert, dass die ersten Rotationsachsen 44a jeder Halterbaugruppen 50 parallel zueinander angeordnet sind.
Der bewegbare Abschnitt 100 ist aus einem zylindrischen Teil mit einem Hohlraumteil (nicht dargestellt) gebildet und ist an drei Positionen an seinem Außenumfang mit Verbindungsteilen 104 versehen, mit denen die angetriebenen Parallelgestänge 32 der drei zusammengebauten Gestängestrukturen 26 eines Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt jeweils verbunden sind. Rotationslagereinheiten und Kraftübertragungsmechanismen (nicht dargestellt) sind im Hohlraumteil des bewegbaren Abschnitts 100 untergebracht. Der Handgelenkabschnitt 102 ist drehbar auf der Unterseite (in der Zeichnung) des bewegbaren Abschnitts 100 gelagert.
Der Handgelenkabschnitt 102 umfasst ein erstes Rotationselement 106, das am bewegbaren Abschnitt 100 gelagert und um eine vierte Rotationsachse 106a drehbar ist, ein zweites Rotationselement 108, das mit dem ersten Rotationselement 106 verbunden und um eine orthogonal zur vierten Rotationsachse 106a verlaufende fünfte Rotationsachse 108a drehbar ist, und ein drittes Rotationselement 110, das mit dem zweiten Rotationselement 108 verbunden und um eine orthogonal zur fünften Rotationsachse 108a verlaufende sechste Rotationsachse 110a drehbar ist. Das dritte Rotationselement 110 ist mit einer Anbauoberfläche 112 ausgeführt, an der ein Werkzeug (nicht dargestellt) angebracht ist.
Ein erster der drei Antriebsmechanismen 20 für den Handgelenkabschnitt umfasst ein erstes Übertragungselement 54-1, das mit dem ersten Rotationselement 106 über ein erstes Übertragungsgelenk 80-1 und Kraftübertragungselemente wie Rädertriebe (nicht dargestellt) verbunden ist. Das erste Übertragungselement 54-1 hat die Aufgabe, die Rotation eines ersten äußeren Halters 44, der von einer ersten Antriebsmaschine 52 rotierend angetrieben wird, an das erste Rotationselement 106 zu übertragen und es dem ersten Rotationselement 106 zu ermöglichen, eine Rotationsbewegung um die vierte Rotationsachse 106a auszuführen. Die Funktionsweise des ersten Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt ist im Wesentlichen identisch mit der oben beschriebenen Funktionsweise des Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt des Parallelroboters 10.
Ein zweiter der drei Antriebsmechanismen 20 für den Handgelenkabschnitt umfasst ein zweites Übertragungselement 54-2, das mit dem zweiten Rotationselement 108 über ein zweites Übertragungsgelenk 80-2 und Kraftübertragungselemente wie Rädertriebe (nicht dargestellt) verbunden ist. Das zweite Übertragungselement 54-2 hat die Aufgabe, die Rotation eines zweiten äußeren Halters 44, der von einer zweiten Antriebsmaschine 52 rotierend angetrieben wird, an das zweite Rotationselement 108 zu übertragen und es dem zweiten Rotationselement 108 zu ermöglichen, eine Rotationsbewegung um die fünfte Rotationsachse 108a auszuführen. Die Funktionsweise des zweiten Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt sieht zusätzlich zur oben beschriebenen Funktionsweise des Antriebsmechanismus 20 für den Hand gelenkabschnitt des Parallelroboters 10 vor, z. B. durch die im Handgelenkabschnitt 102 eingebauten Kraftübertragungselemente, eine Rotationsachse um 90° zu drehen.
Ein dritter der drei Antriebsmechanismen 20 für den Handgelenkabschnitt umfasst ein drittes Übertragungselement 54-3, das mit dem dritten Rotationselement 110 über ein drittes Übertragungsgelenk 80-3 und Kraftübertragungselemente wie Rädertriebe (nicht dargestellt) verbunden ist. Das dritte Übertragungselement 54-3 hat die Aufgabe, die Rotation eines dritten äußeren Halters 44, der von einer dritten Antriebsmaschine 52 rotierend angetrieben wird, an das dritte Rotationselement 110 zu übertragen und es dem dritten Rotationselement 110 zu ermöglichen, eine Rotationsbewegung um die sechste Rotationsachse 110a auszuführen. Die Funktionsweise des dritten Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt sieht zusätzlich zur oben beschriebenen Funktionsweise des Antriebsmechanismus 20 für den Handgelenkabschnitt des Parallelroboters 10 vor, z. B. durch die im Handgelenkabschnitt 102 eingebauten Kraftübertragungselemente, eine Rotationsachse in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung um 90° zu drehen.
Der Parallelroboter mit der obigen Konfiguration kann außerdem mehrere Wirkungen aufweisen, die den oben genannten Wirkungen des Parallelroboters 10 entsprechen. Ferner umfasst der obige Parallelroboter den Handgelenkabschnitt 102 mit drei Freiheitsgraden und drei Antriebsmechanismen 20 für den Handgelenkabschnitt zum Antreiben des Handgelenkabschnitts 102, so dass ein Werkzeug (nicht dargestellt), das am Handgelenkabschnitt 102 angebracht ist, durch die Operationen der Antriebsmechanismen 20 für den Handgelenkabschnitt und des Antriebsmechanismus 16 für den bewegbaren Abschnitt mit drei Freiheitsgraden die Translationsbewegung entlang drei Achsen und die Rotationsbewegung in drei Achsen in einer geeigneten Kombination ausführen kann.
Wie sich aus dem oben Gesagten ergibt, umfasst ein Parallelroboter gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Basisabschnitt; einen bewegbaren Abschnitt, der sich bezüglich des Basisabschnitts bewegen kann; einen Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt mit einer Parallelmechanismuskonfiguration, der zwischen dem Basisabschnitt und dem bewegbaren Abschnitt vorgesehen ist, wobei der Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt so arbeitet, dass der bewegbare Abschnitt eine Translationsbewegung entlang drei Achsen bezüglich des Basisabschnitts ausführen kann; einen Handgelenkabschnitt, der drehbar im bewegbaren Abschnitt vorgesehen ist; und einen Antriebsmechanismus für den Handge lenkabschnitt, der so arbeitet, dass der Handgelenkabschnitt eine Rotationsbewegung bezüglich des bewegbaren Abschnitts ausführen kann. Der Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt umfasst einen hohlen äußeren Halter, der mit dem Basisabschnitt verbunden und um eine erste Rotationsachse drehbar ist; einen hohlen mittleren Halter, der im Innern des äußeren Halters angeordnet und um eine orthogonal zur ersten Rotationsachse verlaufende zweite Rotationsachse drehbar ist; einen hohlen inneren Halter, der im Innern des mittleren Halters angeordnet und um eine orthogonal zur zweiten Rotationsachse verlaufende dritte Rotationsachse drehbar ist; eine Antriebsmaschine, die den äußeren Halter zur Drehung um die erste Rotationsachse antreibt; und ein stabförmiges Übertragungselement, das im inneren Halter aufgenommen und linear in einem drehfesten Zustand entlang einer orthogonal zur dritten Rotationsachse verlaufenden Linearbewegungsachse bewegbar ist, wobei das stabförmige Übertragungselement an einem Ende im Abstand zum inneren Halter über ein Übertragungsgelenk mit dem Handgelenkabschnitt verbunden ist. Das Übertragungselement hat die Funktion, die Rotation des äußeren Halters um die erste Rotationsachse an den Handgelenkabschnitt zu übertragen, und dem Handgelenkabschnitt eine Rotationsbewegung um eine vierte Rotationsachse zu ermöglichen, die orthogonal zur dritten Rotationsachse verläuft.
Bei der obigen Konfiguration ist der Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt als Hilfsantriebsmechanismus zum Steuern der Ausrichtung des Werkzeugs so konfiguriert, dass die Antriebsmaschine und das Übertragungselement durch eine als Übertragungsgelenk fungierende Halterbaugruppe miteinander verbunden sind, die durch Zusammenbauen dreier Halter, die um zueinander orthogonal verlaufende erste bis dritte Rotationsachsen drehbar sind, auf eine solche Weise gebildet wird, dass sie eine dreifach ineinander gesteckte Struktur bilden, und das Übertragungselement führt eine Linearbewegung im drehfesten Zustand bezüglich des inneren Halters als eine abtriebsseitige Komponente in der Halterbaugruppe aus, so dass dann, wenn sich der bewegbare Abschnitt und der Handgelenkabschnitt an einer gewünschten räumlichen Position innerhalb des Arbeitsraums befinden, es möglich ist, das Drehmoment der Antriebsmaschine an den Handgelenkabschnitt zu übertragen und so den Handgelenkabschnitt zu drehen. Der innere Halter als lineare Lagerkomponente für das Übertragungselement ist deshalb mit der Halterbaugruppe als eines der Übertragungsgelenke für das Übertragungselement strukturell integriert, und deshalb ist es möglich, den Linearen Bewegungshub des Übertragungselements in einem Bereich sicherzustellen, der im Wesentlichen durch die Gesamtlänge des Übertragungselements, d. h. bis sich ein Paar Übertragungsgelenke (d. h. die Halterbaugruppe und ein Übertragungsgelenk am anderen Ende) gegenseitig behindert, definiert wird. Als Ergebnis ist es möglich, das Drehmoment der Antriebsmaschine zuverlässig an den Handgelenkabschnitt zu übertragen und so die Werkzeugausrichtung selbst dann zu steuern, wenn sich der bewegbare Abschnitt und der Handgelenkabschnitt in einer beliebigen räumlichen Position innerhalb des eigentlich für den bewegbaren Abschnitt und den Handgelenkabschnitt vorgesehenen Arbeitsraums befinden, der vom Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt mit der Parallelmechanismuskonfiguration bestimmt wird, ohne dass dieser durch die Konfiguration des Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt eingeschränkt wird. Ferner ist das Übertragungselement so konfiguriert, dass es sich in seiner Gesamtheit bezüglich der als Übertragungsgelenk fungierenden Halterbaugruppe linear bewegt, so dass das Übertragungselement als monolithisches oder einteiliges stabförmiges Element hergestellt werden kann. Als Ergebnis ist es möglich, eine ausreichende Steifigkeit des Übertragungselements sicherzustellen und die Arbeitsgenauigkeit des Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt zu verbessern, wobei Bedenken, dass die Trägheitskraft des Übertragungselements die Bewegung des bewegbaren Abschnitts beeinträchtigt, ausgeräumt werden.
Der oben beschriebene Parallelroboter kann so konfiguriert sein, dass der Handgelenkabschnitt ein Rotationselement umfasst, das am bewegbaren Abschnitt gelagert und um die vierte Rotationsachse drehbar ist, wobei das Rotationselement eine Anbaufläche enthält, an der ein Werkzeug angebracht ist. Bei dieser Konfiguration ist es möglich, die Ausrichtungssteuerung eines Werkzeugs (nicht dargestellt) in einer Achse durch eine einfache Konfiguration zu implementieren.
Der oben beschriebene Parallelroboter kann so konfiguriert sein, dass drei Antriebsmechanismen für den Handgelenkabschnitt vorgesehen sind, die unabhängig voneinander arbeiten können, wobei die jeweiligen ersten Rotationsachsen der drei Antriebsmechanismen für den Handgelenkabschnitt parallel zueinander angeordnet sind; wobei der Handgelenkabschnitt ein erstes Rotationselement enthält, das am bewegbaren Abschnitt gelagert und um die vierte Rotationsachse drehbar ist, ein zweites Rotationselement, das mit dem ersten Rotationselement verbunden und um eine orthogonal zur vierten Rotationsachse verlaufende fünfte Rotationsachse drehbar ist, und ein drittes Rotationselement, das mit dem zweiten Rotationselement verbunden und um eine orthogonal zur fünften Rotationsachse verlaufende sechste Rotationsachse drehbar ist, wobei das dritte Rotationselement mit einer Anbaufläche versehen ist, an der ein Werkzeug angebracht ist; wobei ein erster der Antriebsmechanismen für den Handgelenkabschnitt ein erstes Übertragungselement als das stabförmige Übertragungselement aufweist, das über ein erstes Übertragungsgelenk mit dem ersten Rotationselement verbunden ist, wobei das erste Übertragungselement so arbeitet, dass es die Rotation eines ersten äußeren Halters, der von einer ersten Antriebsmaschine rotierend angetrieben wird, an das erste Rotationselement überträgt und es dem ersten Rotationselement ermöglicht, eine Rotationsbewegung um die vierte Rotationsachse auszuführen; wobei ein zweiter der Antriebsmechanismen für den Handgelenkabschnitt ein zweites Übertragungselement als das stabförmige Übertragungselement aufweist, das über ein zweites Übertragungsgelenk mit dem zweiten Rotationselement verbunden ist, wobei das zweite Übertragungselement so arbeitet, dass es die Rotation eines zweiten äußeren Halters, der von einer zweiten Antriebsmaschine rotierend angetrieben wird, an das zweite Rotationselement überträgt und es dem zweiten Rotationselement ermöglicht, eine Rotationsbewegung um die fünfte Rotationsachse auszuführen; und wobei ein dritter der Antriebsmechanismen für den Handgelenkabschnitt ein drittes Übertragungselement als das stabförmige Übertragungselement aufweist, das über ein drittes Übertragungsgelenk mit dem dritten Rotationselement verbunden ist, wobei das dritte Übertragungselement so arbeitet, dass es die Rotation eines dritten äußeren Halters, der von einer dritten Antriebsmaschine rotierend angetrieben wird, an das dritte Rotationselement überträgt und es dem dritten Rotationselement ermöglicht, eine Rotationsbewegung um die sechste Rotationsachse auszuführen. Bei dieser Konfiguration ist es möglich, einem Werkzeug (nicht dargestellt), das am Handgelenkabschnitt angebracht ist, durch die Operationen der drei Antriebsmechanismen für den Antrieb des Handgelenkabschnitts mit drei Freiheitsgraden und des Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt mit drei Freiheitsgraden die Translationsbewegung entlang drei Achsen und die Rotationsbewegung in drei Achsen in einer geeigneten Kombination auszuführen.
Der oben beschriebene Parallelroboter kann so konfiguriert sein, dass der Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt drei zusammengebaute Gestängestrukturen aufweist, die einen Parallelmechanismus bilden und jeweils an festen um einen Mittenwinkel von 120° voneinander beabstandeten Positionen mit dem Basisabschnitt verbunden sind; und wobei die vierte Rotationsachse während des Betriebs des Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt stets parallel zur ersten Rotationsachse angeordnet ist. Bei dieser Konfiguration entspricht die Winkelgeschwindigkeit des äußeren Halters der Winkelgeschwindigkeit des Handgelenkabschnitts ungeachtet des Neigungswinkels des Übertragungselements bezüglich des Basisabschnitts, so dass es deshalb möglich ist, die Werkzeugausrichtung auf einfache Weise hochgenau zu implementieren.
Der oben beschriebene Parallelroboter kann so konfiguriert sein, dass zwischen dem inneren Halter und dem Übertragungselement eine Kugelführungseinheit vorgesehen ist. Bei dieser Konfiguration ist es möglich, die Abtriebsleistung der Antriebsmaschine bei möglichst geringem Leistungsverlust an das Übertragungselement zu übertragen und so die Genauigkeit der Ausrichtungssteuerung des Werkzeugs zu verbessern.
Der oben beschriebene Parallelroboter kann so konfiguriert sein, dass der äußere Halter auf dem Basisabschnitt getragen wird, wobei die Antriebsmaschine auf dem Basisabschnitt neben dem äußeren Halter so getragen wird, dass sie nicht über den äußeren Halter hinaus in eine Richtung vom bewegbaren Abschnitt weg ragt. Bei dieser Konfiguration ist es möglich, eine gegenseitige Störung zwischen der Antriebsmaschine und dem Übertragungselement zu verhindern, wenn das Übertragungselement der Translationsbewegung entlang drei Achsen des bewegbaren Abschnitts und des Handgelenkabschnitts folgt.
Obwohl die Erfindung anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen oder Modifikationen daran vorgenommen werden kennen, ohne vom Gültigkeitsbereich der anschließenden Ansprüche abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 4-45310 [0003]
- JP 4-45310 B [0003, 0003, 0004]
- JP 2002-532269 [0003]
- JP 2002-532269 A [0003, 0003, 0004, 0005, 0006]
- JP 4109062 [0004]
- JP 4109062 B [0004, 0004, 0005, 0006]
- JP 4-453106 [0005]

Claims

Parallelroboter, aufweisend: einen Basisabschnitt (12); einen bewegbaren Abschnitt (14; 100), der sich bezüglich des Basisabschnitts bewegen kann; einen Antriebsmechanismus (16) für den bewegbaren Abschnitt, der eine Parallelmechanismuskonfiguration aufweist und zwischen dem Basisabschnitt und dem bewegbaren Abschnitt vorgesehen ist, wobei der Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt so arbeitet, dass er eine Translationsbewegung entlang drei Achsen bezüglich des Basisabschnitts ausführen kann; einen Handgelenkabschnitt (18; 102), der drehbar im bewegbaren Abschnitt vorgesehen ist; und einen Antriebsmechanismus (20) für den Handgelenkabschnitt, der so arbeitet, dass der Handgelenkabschnitt eine Rotationsbewegung bezüglich des bewegbaren Abschnitts ausführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus für den Handgelenkabschnitt aufweist: einen hohlen äußeren Halter (44), der mit dem Basisabschnitt verbunden und um eine erste Rotationsachse (44a) drehbar ist; einen hohlen mittleren Halter (46), der innerhalb des äußeren Halters angeordnet und um eine orthogonal zur ersten Rotationsachse verlaufende zweite Rotationsachse (46a) drehbar ist; einen hohlen inneren Halter (48), der innerhalb des mittleren Halters angeordnet und um eine orthogonal zur zweiten Rotationsachse verlaufende dritte Rotationsachse (48a) drehbar ist; eine Antriebsmaschine (52), die den äußeren Halter zur Drehung um die erste Rotationsachse antreibt; und ein stabförmiges Übertragungselement (54), das im inneren Halter aufgenommen und linear in einem drehfesten Zustand entlang einer orthogonal zur dritten Rotationsachse verlaufenden Linearbewegungsachse (54a) bewegbar ist, wobei das stabförmige Übertragungselement an einem Ende im Abstand zum inneren Halter über ein Übertragungsgelenk (80) mit dem Handgelenkabschnitt verbunden ist; und wobei das Übertragungselement zur Übertragung der Rotation des äußeren Halters um die erste Rotationsachse an den Handgelenkabschnitt fungiert, und um dem Handgelenkabschnitt eine Rotationsbewegung um eine vierte Rotationsachse (18a; 106) zu ermöglichen, die orthogonal zur dritten Rotationsachse verläuft.
Parallelroboter nach Anspruch 1, bei dem der Handgelenkabschnitt ein Rotationselement (40) umfasst, das am bewegbaren Abschnitt gelagert und um die vierte Rotationsachse drehbar ist, wobei das Rotationselement mit einer Anbaufläche (42) versehen ist, an der ein Werkzeug angebracht ist.
Parallelroboter nach Anspruch 1, bei dem drei Antriebsmechanismen für den Handgelenkabschnitt vorgesehen sind, die unabhängig voneinander arbeiten können, wobei die jeweiligen ersten Rotationsachsen der drei Antriebsmechanismen für den Handgelenkabschnitt parallel zueinander angeordnet sind; wobei der Handgelenkabschnitt ein erstes Rotationselement (106) aufweist, das am bewegbaren Abschnitt gelagert und um die vierte Rotationsachse (106a) drehbar ist, ein zweites Rotationselement (108) aufweist, das mit dem ersten Rotationselement verbunden und um eine orthogonal zur vierten Rotationsachse verlaufende fünfte Rotationsachse (108a) drehbar ist, und ein drittes Rotationselement (110) aufweist, das mit dem zweiten Rotationselement verbunden und um eine orthogonal zur fünften Rotationsachse verlaufende sechste Rotationsachse (110a) drehbar ist, wobei das dritte Rotationselement mit einer Anbaufläche (112) versehen ist, an der ein Werkzeug angebracht ist; wobei ein erster der Antriebsmechanismen für den Handgelenkabschnitt ein erstes Übertragungselement (54-1) als das stabförmige Übertragungselement aufweist, das über ein erstes Übertragungsgelenk (80-1) mit dem ersten Rotationselement verbunden ist, wobei das erste Übertragungselement so arbeitet, dass es die Rotation eines ersten äußeren Halters, der von einer ersten Antriebsmaschine rotierend angetrieben wird, an das erste Rotationselement überträgt und es dem ersten Rotationselement ermöglicht, eine Rotationsbewegung um die vierte Rotationsachse auszuführen; wobei ein zweiter der Antriebsmechanismen für den Handgelenkabschnitt ein zweites Übertragungselement (54-2) als das stabförmige Übertragungselement aufweist, das über ein zweites Übertragungsgelenk (80-2) mit dem zweiten Rotationselement verbunden ist, wobei das zweite Übertragungselement so arbeitet, dass es die Rotation eines zweiten äußeren Halters, der von einer zweiten Antriebsmaschine rotierend angetrieben wird, an das zweite Rotationselement überträgt und es dem zweiten Rotationselement ermöglicht, eine Rotationsbewegung um die fünfte Rotationsachse auszuführen; und wobei ein dritter der Antriebsmechanismen für den Handgelenkabschnitt ein drittes Übertragungselement (54-3) als das stabförmige Übertragungselement auf weist, das über ein drittes Übertragungsgelenk (80-3) mit dem dritten Rotationselement verbunden ist, wobei das dritte Übertragungselement so arbeitet, dass es die Rotation eines dritten äußeren Halters, der von einer dritten Antriebsmaschine rotierend angetrieben wird, an das dritte Rotationselement überträgt und es dem dritten Rotationselement ermöglicht, eine Rotationsbewegung um die sechste Rotationsachse auszuführen.
Parallelroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt drei Gestängestrukturen (26) aufweist, die einen Parallelmechanismus bilden und jeweils an festen um einen Mittenwinkel von 120° voneinander beabstandeten Positionen mit dem Basisabschnitt verbunden sind; und wobei die vierte Rotationsachse während des Betriebs des Antriebsmechanismus für den bewegbaren Abschnitt stets parallel zur ersten Rotationsachse angeordnet ist.
Parallelroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Kugelführungseinheit (54, 78) zwischen dem inneren Halter und dem Übertragungselement vorgesehen ist.
Parallelroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der äußere Halter auf dem Basisabschnitt getragen wird; und die Antriebsmaschine auf dem Basisabschnitt neben dem äußeren Halter so getragen wird, dass sie nicht über den äußeren Halter hinaus in eine Richtung vom bewegbaren Abschnitt weg ragt.