DE10348724A1

DE10348724A1 - Handgeführter Manipulator

Info

Publication number: DE10348724A1
Application number: DE2003148724
Authority: DE
Inventors: Stefan Buntrock
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2005-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen handgeführten Manipulator (1), mit einem Ausleger (2), bestehend aus einem ersten Tragarm (3) und einem mit diesem gelenkig verbundenen, lastseitigen zweiten Tragarm (4), wobei eine der auf den Ausleger (2) wirkenden Gewichtskraft entgegenwirkende Ausgleichskraft (16), insbesondere mittels einer Kolbenstange (7), auf den ersten Tragarm (3) übertragbar ist. Um die bei verschiedenen Winkelstellungen des zweiten Tragarmes (4) auftretenden Lastzustände mit einem geringen Aufwand ausgleichen zu können, wird ein die Ausgleichskraft (16) übertragendes Kraftübertragungselement (11) in einer Funktionsstellung, in welcher der zweite Tragarm (4) gegenüber der vertikalen Ruhelage ausgelenkt ist, in eine verlagerte Position bewegt. Dadurch wird die Ausgleichskraft (16) in zwei Kraftkomponenten mit unterschiedlichen Wirkrichtungen zerlegt, deren erste Kraftkomponente mittels eines Verbindungselementes (12) auf den zweiten Tragarm (4) übertragbar ist und damit der Rückstellkraft entgegenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft einen handgeführten Manipulator, mit einem Ausleger, bestehend aus einem ersten Tragarm und einem mit diesem gelenkig verbundenen, lastseitigen zweiten Tragarm, wobei eine der auf den Ausleger wirkenden Gewichtskraft entgegenwirkende Ausgleichskraft, insbesondere mittels einer Kolbenstange, auf den ersten Tragarm übertragbar ist.
Der Einsatz solcher handgeführter Manipulatoren wird in der Praxis immer dann vorgesehen, wenn die zu bewegende Last, beispielsweise ein Werkstück oder ein Werkzeug, für die manuelle Handhabung ein zu hohes Gewicht aufweist oder auf Dauer zu einer körperlichen Beeinträchtigung des Bedieners führen könnte. Zur Unterstützung der von dem Bediener einzuleitenden Bewegung und Positionierung der Last wird daher eine Ausgleichskraft, beispielsweise mittels eines auf eine Kolbenstange wirkenden Pneumatikzylinders, auf den Ausleger übertragen.

Ein Manipulator der genannten Art ist beispielsweise auch durch die DIN EN 14238 bekannt, in der bereits die unterschiedlichen Bauarten handgeführter Manipulatoren beschrieben sind. Beispielsweise sind dadurch auch Manipulatoren mit einem Ausleger, bestehend aus mehreren unabhängig beweglichen Tragarmen, bekannt, die um eine horizontale Achse schwenkbar miteinander verbunden sind, die darüber hinaus eine weitere Anzahl der für den jeweiligen Anwendungszweck gewünschten Freiheitsgrade aufweisen können.

Um die insbesondere bei der Handhabung eines Werkstückes auftretenden verschiedenen Lastzustände, die bei bedarfsweiser Bewegung des Manipulators mit und ohne das Werk stück auftreten, einschließlich des Eigengewichtes des Manipulatortragarmes entsprechend ausgleichen zu können, sind durch den Pneumatikzylinder mit einer entsprechenden Ventilsteuerung unterschiedliche Ausgleichskräfte darstellbar. Die Umstellung zwischen den verschiedenen Lastzuständen erfolgt dabei in der Praxis entweder durch den Bediener oder aber durch eine entsprechende Sensorik, mit der das fixierte Werkstück erfasst wird. Die manuell von dem Bediener auf den Manipulator aufzubringende Betätigungskraft kann daher in den unterschiedlichen Lastzuständen mit Ausnahme der massebedingten Trägheitskräfte nahezu vollständig ausgeglichen werden.

Als nachteilig erweist es sich bei diesem Stand der Technik in der Praxis jedoch, dass die unterschiedlichen Winkelstellungen, insbesondere des zweiten lastseitigen Tragarmes, unterschiedliche Lastzustände verursachen, die nicht ausgeglichen werden können. Dadurch driftet der zweite Tragarm in einer gegenüber der vertikalen Ruhelage ausgelenkten Funktionsstellung in seine schwerkraftbedingte, vertikale Ruhelage. Nach der DIN EN 14238 soll jedoch jede unkontrollierte und unbeabsichtigte Lageveränderung des Manipulators vermieden werden, da diese mit einem erhöhten Risiko für den Bediener verbunden ist.

Um dieses Problem zu vermeiden sind die in der Praxis üblicherweise eingesetzten Manipulatoren mit einer Feststellbremse ausgestattet, durch die der Manipulator in der von dem Bediener vorgegebenen Position festgelegt ist, sobald dieser den Betätigungskopf des Manipulators freigibt. Hierdurch wird zwar das unerwünschte Driften des Tragarmes vermieden, jedoch treten im Betrieb dennoch in Abhängigkeit von der gegenüber der vertikalen Ruhelage ausgelenkten Winkelstellung des zweiten Tragarmes veränderte Lastzustände auf, die der Bediener als einen zusätzlichen Widerstand bei der durch ihn aufgebrachten Bewegung bemerkt und die dadurch beispielsweise eine exakte Positionierung sowie eine feinfühlige Handhabung bei unterschiedlichen Winkelstellungen erheblich erschwert.

Man könnte daran denken, die Winkelstellung des zweiten Tragarmes durch eine geeignete Sensorik zu erfassen und mittels einer Steuereinheit in Abhängigkeit von der Winkelstellung eine veränderte Ausgleichskraft einzuleiten. Diese Lösung erfordert jedoch einen erheblichen Mehraufwand zum Anbringen der erforderlichen Sensorik sowie der zusätzlichen Ausgleichskraft, so dass dieser Lösungsvorschlag bisher in seiner praktischen Umsetzung keine wesentliche Verbreitung erfahren hat. Ferner führt auch der Gedanke, das Eigengewicht des Auslegers zu verringern, nicht zum Erfolg, da die Last in Form des Werkstückes bzw. des Werkzeuges den wesentlichen Einflussfaktor hinsichtlich der Rückstellkräfte darstellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bei verschiedenen Winkelstellungen des zweiten Tragarmes auftretenden Lastzustände mit einem geringen Aufwand auszugleichen. Insbesondere soll dabei eine Steuereinheit mit einer Sensorik zur Erfassung der Winkelstellung und eine zusätzlich einzuleitende Ausgleichskraft verzichtbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Manipulator gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also ein Manipulator vorgesehen, bei dem in einer gegenüber der vertikalen Ruhelage ausgelenkten Funktionsstellung des zweiten Tragarmes ein die Ausgleichskraft übertragendes Kraftübertragungselement in eine derart verlagerte Position beweglich ist, dass dadurch eine von einer axialen Wirkrichtung abweichende Kraftkomponente der Ausgleichskraft mittels eines Verbindungselementes auf den zweiten Tragarm übertragbar ist. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch eine Veränderung der Orientierung des Kraftübertragungselementes zu einer geneigten Stellung, die ausschließlich in einer gegenüber der vertikalen Ruhelage ausgelenkten Funktionsstellung des zweiten Tragarmes eingestellt ist, zugleich eine quer zu der axialen Wirkrichtung wirkende Kraftkomponente erzeugt wird, die dazu genutzt werden kann, der schwerkraftbedingten Rückstellkraft entgegenzuwirken. Hierzu ist das Kraftübertragungselement beispielsweise zwischen der Lagerstelle an der Kolbenstange und der Lagerstelle an dem ersten Tragarm mit einem zusätzlichen Gelenk ausgestattet oder elastisch verformbar, wodurch das seitliche kontrollierte Verschwenken, beispielsweise Einknicken, ermöglicht wird. Dieses seitliche Verschwenken bei der Einleitung der Ausgleichskraft ermöglicht so die Einleitung einer unmittelbar auf den zweiten Tragarm wirkenden Kraft, deren Wirkrichtung der schwerkraftbedingten Rückstellkraft jeweils entgegengesetzt ist. Die Bewegung des Kraftübertragungselementes in die verlagerte Position erfolgt dabei ohne die Hilfe einer Steuereinheit unmittelbar auf mechanischem Wege, aufgrund der Winkelstellung des zweiten Tragarmes.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dann erreicht, wenn das Kraftübertragungselement an einem quer zu der axialen Wirkrichtung beweglichen Lager fixiert ist. Hierdurch wird eine der Auslenkung des zweiten Tragarmes entsprechende Neigung des Kraftübertragungselementes in einfacher Weise realisierbar, indem die Position des Lagers und damit die Krafteinleitung in das Kraftübertragungselement durch die Querbewegung des Lagers variabel einstellbar ist.

Dabei erweist es sich als besonders praxisnah, wenn das Lager an einem verfahrbaren Schlitten angeordnet ist, um so die geänderte Position durch den Schlitten realisieren zu können. Der beispielsweise auf Gleitflächen oder auf Rollen bewegliche Schlitten ist hierzu auf einer ebenen, insbesondere quer zu der axialen Wirkrichtung angeordneten Auflagefläche verfahrbar, wobei die Reibungseinflüsse auf ein Minimum reduziert werden können.

Eine andere besonders einfache Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass das Kraftübertragungselement aus zwei miteinander schwenkbeweglich verbundenen Hebelarmen besteht. Hierdurch kann auf einen Schlitten verzichtet werden, indem der beispielsweise zur Krafteinleitung eingesetzte Hubkolben nicht starr, sondern mittels des aus zwei Hebelarmen bestehenden Kraftübertragungselementes mit dem ersten Tragarm verbunden ist, dessen seitliches Einknicken mechanisch in vorbestimmter Weise festlegbar ist. Das Kraftübertragungselement kann dadurch mit lediglich geringfügigen konstruktiven Änderungen bei bekannten Manipulatoren eingesetzt werden.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird dann erreicht, wenn die in der ausgelenkten Funktionsstellung des zweiten Tragarmes verlagerte Position des Kraftübertragungselementes durch das Verbindungselement bestimmt ist. Hierdurch kann die Verlagerung des Kraftübertragungselementes in einfacher Weise durch das Verbindungselement realisiert werden, welches hierzu zwischen den Endabschnitten des zweiten Tragarmes mit diesem verbunden ist und daher in einer ausgelenkten Funktionsstellung eine Verlagerung erfährt, die der verlagerten Position des Kraftübertragungselementes entspricht.

Dabei ist es auch besonders zweckmäßig, wenn die Verlagerung des Kraftübertragungselementes gegenüber der axialen Wirkrichtung proportional zu der Auslenkung des zweiten Tragarmes erfolgt, um so die jeweils durch die Auslenkung des zweiten Tragarmes verursachten, unterschiedlichen Lastzustände in optimaler Weise ausgleichen zu können. Ein weiteres Ausgleichselement oder eine Steuereinheit ist dabei nicht erforderlich.

Hierzu eignet sich eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Verbindungselement parallel zu dem ersten Tragarm angeordnet und an dem zweiten Tragarm schwenkbeweglich fixiert ist. Hierdurch wird eine Übertragung der Auslenkung des zweiten Tragarmes erreicht, deren Hub jeweils durch dessen Winkelstellung bestimmt ist. Zusätzlich kann die Fixierung an dem zweiten Tragarm auch in unterschiedlichen Positionen festlegbar sein, um so ein für die jeweiligen Einsatzbedingungen optimales Übertragungsverhalten des Verbindungselementes realisieren zu können.

Dabei erweist es sich als besonders erfolgversprechend, wenn die Tragarme jeweils als Parallelogrammkonstruktion ausgeführt sind, um so zudem auch eine gleichbleibende Orientierung der die Last aufnehmenden Aufnahme zu erreichen. Die Handhabung wird dadurch wesentlich erleichtert und zugleich die Einsatzmöglichkeiten des Manipulators im praktischen Einsatz erheblich erweitert.

Die Einleitung der Ausgleichskraft kann grundsätzlich in beliebiger Weise in einer einfachen Variante beispielsweise auch durch ein Gegengewicht aufgebracht werden. Besonders zweckmäßig ist jedoch in der Praxis eine Weiterbildung, bei welcher der Manipulator einen die Ausgleichskraft einleitenden Druckzylinder aufweist. Hierdurch kann die erforderliche Ausgleichskraft an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst werden, ohne dass hierzu der Austausch von Bauelementen erforderlich ist.

Besonders vorteilhaft ist hingegen auch eine Abwandlung, bei welcher der Manipulator ein Krafterzeugungsmittel zum Ausgleich der Gewichtskraft des Auslegers mit zumindest einer ersten Betriebsposition zum Ausgleich des Eigengewichtes des Manipulators sowie einer zweiten Betriebsposition zum Ausgleich des Eigengewichtes und einer zusätzlichen Last aufweist. Hierdurch können die unterschiedlichen Lastzustände, die insbesondere beim Einsatz des Manipulators zur Handhabung von Werkstücken auftreten, durch das Krafterzeugungsmittel realisiert werden.

Hingegen wird bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Manipulators, bei welcher das Krafterzeugungsmittel einen Differenzdruckzylinder zum Ausgleich der verschiedenen Betriebspositionen sowie einen Gewichtsausgleichzylinder zum Ausgleich des Eigengewichtes des Auslegers aufweist, der Ausgleich der unterschiedlichen Lastzustände und Betriebspositionen durch unterschiedliche Zylinder, insbesondere Hydraulikzylinder oder Pneumatikzylinder, erreicht werden. Auf diese Weise können wahlweise alle erforderlichen Ausgleichskräfte, die aus der Belastung durch eine zusätzliche Last, aus dem Eigengewicht des Auslegers sowie aus den unterschiedlichen Winkelstellungen des zweiten Tragarmes resultieren, durch jeweils einen speziellen Zylinder eingeleitet werden.

Erfindungsgemäß ist das unerwünschte Driften des Auslegers ausgeschlossen. Besonders zweckmäßig ist dennoch eine Ausgestaltung, bei welcher der Manipulator eine das Kraftübertragungselement in seiner jeweiligen Position fixierende Feststellbremse hat. Die durch den Bediener vorgegebene Position ist dadurch festlegbar und eine von dem Bediener un beabsichtigte oder durch Umgebungseinflüsse verursachte Bewegung des Manipulators ausgeschlossen.

Hierzu wird nach einer besonders effektiven Variante, bei welcher die Feststellbremse einen Druckzylinder hat, durch den das Kraftübertragungselement gegenüber einem Gehäuse des Manipulators festlegbar ist, lediglich eine Klemmkraft erzeugt, die das Kraftübertragungselement relativ zu dem Gehäuse in seiner Position festlegt.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in jeweils einer teilweise geschnittenen Seitenansicht in
1 einen erfindungsgemäßen Manipulator in einer Ruhestellung;
2 bis 7 den Manipulator jeweils in einer ausgelenkten Funktionsstellung.
1 zeigt einen handgeführten Manipulator 1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht. Dargestellt ist eine Ruhestellung eines Auslegers 2 des Manipulators 1, in welcher ein mit einem ersten Tragarm 3 gelenkig verbundener zweiter Tragarm 4 vertikal nach unten zeigt. In dieser Ruhestellung wirkt dabei insbesondere die aus einer nicht dargestellten Last und dem Eigengewicht des Auslegers 2 resultierende Gesamtlast, welche mittels einer Ausgleichskraft eines Druckzylinders 5 einen für den Bediener kraftfreien Zustand ermöglicht. Eine in axialer Wirkrichtung 6 bewegliche Kolbenstange 7 des Druckzylinders 5 ist mit einer horizontalen Auflagefläche 8 verbunden, auf der ein Schlitten 9 verschiebbar angeordnet ist. Mittels eines Lagers 10 ist mit dem Schlitten 9 ein Kraftübertragungselement 11 verbunden, welches in der dargestellten Ruhelage des zweiten Tragarmes 4 in einer Flucht zu der Wirkrichtung 6 der axial beweglichen Kolbenstange 7 liegt. Eine Krafteinleitung mittels des Kraftübertragungselementes 11 erfolgt daher ausschließlich auf den ersten Tragarm 3.
Im Gegensatz hierzu zeigen die 2 bis 7 den handgeführten Manipulator 1 in einer weiteren Funktionsstellung, in welcher durch die gegenüber der vertikalen Ruhelage ausgelenkte Winkelstellung des zweiten Tragarmes 4 geänderte Lastverhältnisse auftreten, die insbesondere durch das Bestreben des zweiten Tragarmes 4 in seine vertikale Ruhelage zurückzukehren, bedingt sind. Diese zusätzlichen Kräfte erschweren die exakte und feinfühlige Bedienung des Manipulators 1. Zum Ausgleich dieser Kräfte dient ein Verbindungselement 12, welches mittels eines Lagers 13 zwischen Endabschnitten 14, 15 des zweiten Tragarmes 4 fixiert ist und parallel zu dem ersten Tragarm 3 ausgerichtet ist. Durch diese Parallelogrammkonstruktion wird die Winkelstellung des zweiten Tragarmes 4 auf den Schlitten 9 übertragen, der dadurch quer zu der axialen Wirkrichtung 6 verschoben ist. Die zunächst in axialer Wirkrichtung 6 eingeleitete Ausgleichskraft 16 erfährt dadurch eine vektorielle Aufspaltung in eine der Neigung des Kraftübertragungselementes 11 entsprechende, auf den ersten Tragarm 3 wirkende Kraftkomponente 17 einerseits und eine quer zu der axialen Wirkrichtung 6 verlaufende zweite Kraftkomponente 18 andererseits, die mittels des Verbindungselementes 12 der Rückstellbewegung des zweiten Tragarmes 4 unmittelbar entgegenwirkt. Hierdurch kann auf rein mechanischem Wege ein Ausgleich der durch die unterschiedlichen Winkelstellungen des zweiten Tragarmes 4 verursachten unterschiedlichen Lastzustände realisiert werden. Zusätzlich dienen außenseitig angeordnete Zylinder 19 des Manipulators 1, deren Ausgleichskraft unmittelbar auf das Verbindungselement 12 übertragen wird, dem Ausgleich der auf den zweiten Tragarm 4 wirkenden Gewichtskraft, wobei die Kraftverteilung entsprechend der jeweiligen Einsatzbedingungen optimiert werden kann.

Claims

Handgeführter Manipulator (1), mit einem Ausleger (2), bestehend aus einem ersten Tragarm (3) und einem mit diesem gelenkig verbundenen, lastseitigen zweiten Tragarm (4), wobei eine der auf den Ausleger (2) wirkenden Gewichtskraft entgegenwirkende Ausgleichskraft (16), insbesondere mittels einer Kolbenstange (7), auf den ersten Tragarm (3) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer gegenüber der vertikalen Ruhelage ausgelenkten Funktionsstellung des zweiten Tragarmes (4) ein die Ausgleichskraft (16) übertragendes Kraftübertragungselement (11) in eine derart verlagerte Position beweglich ist, dass dadurch eine von einer axialen Wirkrichtung (6) abweichende Kraftkomponente (18) der Ausgleichskraft (16) mittels eines Verbindungselementes (12) auf den zweiten Tragarm (4) übertragbar ist.
Manipulator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement (11) an einem quer zu der axialen Wirkrichtung (6) beweglichen Lager (10) fixiert ist.
Manipulator (1) nach den Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (10) an einem verfahrbaren Schlitten (9) angeordnet ist.
Manipulator (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement (11) aus zwei miteinander schwenkbeweglich verbundenen Hebelarmen besteht.
Manipulator (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ausgelenkten Funktionsstellung des zweiten Tragarmes (4) verlagerte Position des Kraftübertragungselementes (11) durch das Verbindungselement (12) bestimmt ist.
Manipulator (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerung des Kraftübertragungselementes (11) gegenüber der axialen Wirkrichtung proportional zu der Auslenkung des zweiten Tragarmes (4) erfolgt.
Manipulator (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (12) parallel zu dem ersten Tragarm (3) angeordnet und an dem zweiten Tragarm (4) schwenkbeweglich fixiert ist.
Manipulator (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragarme (3, 4) jeweils als Parallelogrammkonstruktion ausgeführt sind.
Manipulator (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator (1) einen die Ausgleichskraft (16) einleitenden Druckzylinder (5) aufweist.
Manipulator (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator (1) ein Krafterzeugungsmittel zum Ausgleich der Gewichtskraft des Auslegers (2) mit zumindest einer ersten Betriebsposition zum Ausgleich des Eigengewichtes des Manipulators (1) sowie einer zweiten Betriebsposition zum Ausgleich des Eigengewichtes und einer zusätzlichen Last aufweist.
Manipulator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafterzeugungsmittel einen Differenzdruckzylinder zum Ausgleich der verschiedenen Betriebspositionen sowie einen Gewichtsausgleichzylinder zum Ausgleich des Eigengewichtes des Auslegers aufweist.
Manipulator (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator (1) eine das Kraftübertragungselement (11) in seiner jeweiligen Position fixierende Feststellbremse hat.
Manipulator (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststellbremse einen Druckzylinder hat, durch den das Kraftübertragungselement (11) gegenüber einem Gehäuse des Manipulators (1) festlegbar ist.