DE1264909B

DE1264909B - Swivel joint assembly

Info

Publication number: DE1264909B
Application number: DEC31292A
Authority: DE
Inventors: Jean Vertut
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1962-11-02
Filing date: 1963-10-31
Publication date: 1968-03-28

Description

Schwenkgelenkanordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwenkgelenkanordnung mit zwei gegeneinander in einer Ebene schwenkbaren Gliedern oder Armen sowie wenigstens einem längs der Glieder oder Arme und über Umlenkrollen in der Gelenkanordnung geführten biegsamen Zugorgan zur Übertragung von Bewegungen.Pivot Joint Assembly The invention relates to a pivot joint assembly with two members or arms that can be pivoted against one another in one plane and at least one guided along the links or arms and over pulleys in the joint arrangement flexible traction element for the transmission of movements.

Bei einer bekannten Gelenkanordnung dieser Art sind die beiden gegeneinander schwenkbaren Glieder oder Arme über eine einzige gemeinsame Schwenkachse miteinander gekuppelt und mehrere biegsame Zugorgane über Umlenkrollen in der Gelenkanordnung geführt. Nachteilig ist bei einer solchen Konstruktion jedoch ebenso wie bei zahlreichen anderen ähnlichen Anordnungen der Umstand, daß eine gegenseitige Schwenkbewegung der beiden über das Gelenk verbundenen Glieder oder Arme zu einer Längenänderung für das biegsame Zugorgan führt, wodurch eine ungewollte Bewegung eines über das Zugorgan gesteuerten Bauteiles ausgelöst wird. Dieser unerwünschte Effekt läßt sich auch bei Manipulatoren, bei denen mehrere Schwenkgelenkanordnungen vorhanden sind, nur teilweise bzw. nur bei bestimmten Betriebsfällen kompensieren, nämlich immer nur dann, wenn gleichsinnige Schwenkbewegungen bei zwei symmetrisch zueinander liegenden Schwenkgelenkanordnungen auftreten. Für den allgemeinen Fall beliebiger Schwenkbewegungen und beliebiger gegenseitiger Anordnung der Schwenkgelenke zueinander ist dagegen eine Kompensation der einzelnen Längenänderungen des Zugorgans innerhalb der verschiedenen Gelenke nicht möglich. Bei einer anderen bekannten Schwenkgelenkanordnung, bei der in den Gliedern oder Armen Zahnräder drehbar gelagert und über ein drittes Zwischenzahnrad miteinander gekuppelt sind und zur Bewegungsübertragung Stangen mit als Zahnstangen ausgebildeten Enden dienen, die mit den in den Gliedern oder Armen gelagerten Zahnrädern im Eingriff stehen, tritt zwar das Problem einer unerwünschten Längenänderung der Übertragungsorgane nicht auf, dieser Vorteil muß jedoch mit einer erheblichen Komplizierung der gesamten Übertragungseinrichtungen erkauft werden, die einerseits die Störanfälligkeit des Mechanismus erhöht und andererseits seine Beweglichkeit vermindert.In a known joint arrangement of this type, the two are against each other pivotable members or arms with one another via a single common pivot axis coupled and several flexible traction elements via pulleys in the joint arrangement guided. However, it is disadvantageous in such a construction as in numerous other similar arrangements the fact that a mutual pivoting movement of the two limbs or arms connected by the joint to a change in length for the flexible traction element, causing an unwanted movement of one over the Pulling element controlled component is triggered. This undesirable effect can be even with manipulators where there are several swivel joint arrangements, compensate only partially or only in certain operating cases, namely always only if swiveling movements in the same direction in the case of two symmetrical to each other Swivel joint assemblies occur. For the general case of any swiveling movements and any mutual arrangement of the swivel joints to one another is against it a compensation of the individual changes in length of the pulling organ within the various Joints not possible. In another known swivel joint arrangement in which Gears rotatably mounted in the links or arms and via a third intermediate gear are coupled with each other and for the transmission of motion rods with as toothed racks formed ends serve with the gears mounted in the links or arms are engaged, although the problem of an undesirable change in length occurs Transmission organs do not have this advantage, however, with a considerable complication of the entire transmission facilities are bought, on the one hand the susceptibility to failure of the mechanism increased and on the other hand its mobility decreased.

Für die Erfindung stellt sich daher, ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik, die Aufgabe, eine Schwenkgelenkanordnung zu schaffen, bei der jegliche, die Geometrie der Kraftübertragung störende Änderungen in der Länge des übertragungsweges vermieden werden, ohne daß dazu ein besonderer Aufwand an Konstruktionselementen erforderlich wäre oder die Beweglichkeit des Gelenks beeinträchtigt würde.The invention therefore arises based on this known Prior art, the task of creating a swivel joint arrangement in which any changes in the length of the transmission path can be avoided without a special expense on construction elements would be required or the mobility of the joint would be impaired.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Glieder oder Arme in an sich bekannter Weise über starr mit ihnen verbundene, in zumindest einem gemeinsamen Verbindungsglied in gleichbleibendem Achsabschnitt voneinander gelagerte Zahnradsektoren gekuppelt sind und das Zugorgan in unterschiedlichem Richtungssinn über auf den Achsen der Zahnradsektoren drehbar gelagerte Umlenkrollen geführt ist.This object is achieved according to the invention in that the links or arms in a manner known per se via rigidly connected to them, at least in part a common connecting link in a constant axial section from one another mounted gear sectors are coupled and the pulling element in different directions is guided on the axes of the gear sectors rotatably mounted pulleys.

Die Erfindung macht also von der bekannten Möglichkeit einer Kupplung zweier gegeneinander verschwenkbarer Arme über starr an den Gliedern angebrachte Zahnradsektoren Gebrauch und nutzt diese Möglichkeit, die dort, da die Kraftübertragung über Kardanwellen erfolgt, deren Kreuzgelenkmittelpunkte in den Schwenkachsen bzw. der Achsen der Zahnradsektoren liegen, so daß sich das Problem einer Längenänderung der Kraftübertragungsorgane von vornherein nicht stellt, für die Geometrie der Kraftübertragung bedeutungslos ist, in Verbindung mit einer bestimmten Führung des biegsamen Zugorgans zur Vermeidung einer unerwünschten Änderung von dessen wirksamer Länge aus.The invention therefore makes use of the known possibility of a coupling two mutually pivotable arms attached rigidly to the links Gear sectors use and take advantage of this possibility that there since the power transmission takes place via cardan shafts, whose center points of the universal joint are in the swivel axes or the axes of the gear sectors lie, so that the problem of a change in length of the power transmission organs does not represent a priori, for the geometry of the power transmission is meaningless in connection with a certain guidance of the flexible pulling organ to avoid an undesirable change in its effective length.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung seien im folgenden einige Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Schwenkgelenkanordnung näher beschrieben und in ihrer Wirkungsweise mit der bisher bekannter Anordnungen verglichen, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gelenkanordnung, F i g. 2 eine schematische Gesamtansicht eines bekannten polygonartigen Gelenksystems, F i g. 3 und 4 entsprechende Darstellungen zweier polygonartiger Gelenksysteme gemäß der Erfindung. Bei dem in F i g. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel erfolgt die übertragung besonderer Bewegungen im Zuge des Gelenks mit zwei gegeneinander schwenkbaren Gelenkteilen, von denen der obere durch den Arm 1 versinnbildlicht und der untere Teil nicht dargestellt ist, über einen Satz von als Zugorgane dienenden Seilen 2, die sich in den Richtungen der zwei Seilabschnitte 2 a und 2 b längs der miteinander zu verbindenden Gelenkteile erstrecken. Der Arm 1, zu dem auch die Verstrebungen 3 und 4 gehören, endet in einen U-förmigen Bügel 5, in dessen Bügelschenkeln eine Achse 6 drehbar, gelagert ist. In gleicher Weise endet der untere Gelenkteil n einem nicht dargestellten Bügel, der dem Bügel 5 gleicht und in dem eine Achse 7 frei drehbar gelagert ist. Der Abstand zwischen den Achsen 6 und 7 wird durch zwei gewinkelte Schwingen 8 und 9 konstant gehalten, durch deren Bohrungen die vier Schwenkzapfen 10 und 11 der Achsen 6 und 7 hindurchgreifen. Die Achse 6 trägt zwei Zahnradsektoren 12 und 13, die starr mit dem Bügel 5 verbunden sind, und die Achse 7 trägt zwei Zahnradsektoren 14 und 15, die starr mit dem diese Achse haltenden Bügel verbunden sind. Die Zahnradsektoren 12 und 14 sowie 13 und 15 andererseits greifen mit @ ihren Zähnen jeweils paarweise ineinander ein. Jedes der Seile, wie 2, ist mit jeweils unterschiedlichem Sinn über zwei Umlenkrollen 16 und 17 geführt, die gleichen Durchmesser haben und frei drehbar auf den beiden Achsen 6 bzw. 7 gelagert sind.To further explain the invention, some exemplary embodiments are given below for a swivel joint assembly according to the invention described in more detail and in their Mode of action with the previously of known arrangements compared, with reference is made to the drawing. It shows F i g. 1 is a perspective view a joint arrangement according to the invention, FIG. 2 is a schematic overall view of a known polygon-like joint system, FIG. 3 and 4 corresponding representations two polygonal articulation systems according to the invention. In the case of the one shown in FIG. 1 illustrated Embodiment, the transmission of special movements takes place in the course of the joint with two mutually pivotable joint parts, of which the upper one through the Arm 1 symbolized and the lower part is not shown, on a sentence of ropes 2 serving as pulling organs, which extend in the directions of the two rope sections 2a and 2b extend along the joint parts to be connected. The arm 1, which also includes the struts 3 and 4, ends in a U-shaped bracket 5, in whose bracket legs an axis 6 is rotatably mounted. In the same way the lower joint part ends in a bracket (not shown) which is similar to bracket 5 and in which an axis 7 is freely rotatably mounted. The distance between the axes 6 and 7 is kept constant by two angled rockers 8 and 9, by their Bores the four pivot pins 10 and 11 of the axes 6 and 7 reach through. the Axis 6 carries two gearwheel sectors 12 and 13 which are rigidly connected to bracket 5 are, and the axis 7 carries two gear sectors 14 and 15, which are rigid with this Axis holding bracket are connected. The gear sectors 12 and 14 and 13 and 15 on the other hand, their teeth mesh with each other in pairs. Each the ropes, like 2, are each with a different meaning over two pulleys 16 and 17 out, have the same diameter and freely rotatable on the two Axes 6 and 7 are stored.

Die Wirkungsweise der soeben beschriebenen An- . ordnung läßt sich leicht erkennen, wenn man annimmt, daß die ,Schwingungen 8 und 9 festgehalten werden und die. Abschnitte 2 a und 2 b des Seils 2 relativ zu den mit ihren etwa parallellaufenden Gelenkteilen oder -gliedern unbeweglich sind. Wenn man. den Arm 1 um die Zapfen 10 schwenkt, schwenkt der untere Gelenkteil um einen gleich großen Winkel um die Zapfen 11, und die Länge des Seils 2, das an den Umlenkrollen 16 und 17 anliegt, verändert sich nicht. Es ist ferner klar, daß, wenn ; während einer solchen Bewegung eine dieser Bewegung überlagerte Relativbewegung des Seils 2 erfolgt, die zu einem Drehen der Umlenkrollen 16 und 17 führt, und/oder eine allgemeine Bewegung der Gruppe der beiden Gelenkteile erfolgt, bei der eine ; Bewegung der Schwingen 8 und 9 eintritt, die Länge des Seils 2, die an den Rollen anliegt, sich auch nicht weiter verändert. Haben die Umlenkrollen 16 und 17 unterschiedliche Durchmesser, so genügt es, Zahnradsektoren mit einem entsprechenden Teilkreis radien-Verhältnis zu verwenden.The mode of action of the just described. order can easily be seen if one assumes that the, vibrations 8 and 9 are recorded and the. Sections 2 a and 2 b of the rope 2 are immobile relative to the joint parts or members running approximately in parallel. If. the arm 1 pivots about the pin 10 , the lower joint part pivots by an equal angle about the pin 11, and the length of the rope 2, which rests on the pulleys 16 and 17, does not change. It is also clear that if; during such a movement a relative movement of the rope 2 superimposed on this movement takes place, which leads to a rotation of the deflection rollers 16 and 17, and / or a general movement of the group of the two joint parts takes place in which one; Movement of the rockers 8 and 9 occurs, the length of the rope 2, which rests on the rollers, does not change any further. If the pulleys 16 and 17 have different diameters, it is sufficient to use gear sectors with a corresponding pitch circle radius ratio.

Nun soll unter Bezugnahme auf die F i g. 2, 3 und 4 die Anwendung der Gelenkanordnung wie die in F i g. 1 dargestellte Anordnung bei einem mehrere Glieder umfassenden Gelenksystem beschrieben werden.With reference to FIGS. 2, 3 and 4 the application the joint arrangement as in FIG. 1 arrangement shown in a multiple Joint system comprising members are described.

Bei dem Gelenksystem nach P l g. 2 wird ein bekanntes System in Form eines Polygonzuges vorausgesetzt, der aus den Armen A, B, C und D besteht und in dein die übertragung einer Bewegung mittels eines Seils 41 erfolgt, das über die Seilrollen 42, 43 und 44 läuft, die auf den Schwenkachsen a, b 5 und c drehbar gelagert sind. Die Länge des sich über den gesamten Polygonzug zwischen den Punkten 0 und Q erstreckenden Seils 41 ist gleich der Summe der Längen der Arme A, B; C und D, vermehrt um die Länge derjenigen Seilabschnitte, die an den Seilrollen 42, 43 und 44 anliegen.With the joint system according to P l g. 2 a known system in the form of a polygon is assumed, which consists of the arms A, B, C and D and in which the transmission of a movement takes place by means of a rope 41 that runs over the pulleys 42, 43 and 44, which on the Pivot axes a, b 5 and c are rotatably mounted. The length of the cable 41 extending over the entire polygon between points 0 and Q is equal to the sum of the lengths of arms A, B; C and D, increased by the length of those rope sections which are in contact with the rope pulleys 42, 43 and 44.

Die Winkelauslenkungen der Arme A, B, C und D gegeneinander seien a, ß, y; dann sind die Längenabschnitte des Seils, die an den sämtlich mit gleichem Radius r vorausgesetzten Rollen anliegen, gleich (a -I- ß -I- y) r. Schließlich sei mit t der gesamte Schwenkwinkel des Armes A gegen den Arm D, wie er sich im Schnittpunkt E der geraden .. Verlängerungen dieser Arme ergibt, bezeichnet. Wenn man den Polygonzug A, B, C, D derart verformt, daß dieser Winkel c konstant bleibt (indem man beisp elsweise den Arm A parallel zu sich selbst verschiebt, während der Arm D festgehalten wird), so bleibt die Summe der Einzelwinkel a -I- ß -I- y konstant; da sie gleich dem Summenwinkel c ist. Die Längenabschnitte des Seils, die an den Rollen anliegen, bleiben infolgedessen auch konstant, und die gesamte Länge des Seils verändert sich bei derartigen Verschiebungen nicht. Nur bei einer vollkommen freizügigen Veränderung des Polygonzuges tritt eine Änderung des Summenwinkels c ein, wobei die Änderung der gesamten Seillänge innerhalb des betrachteten Systems gleich der Änderung des Summenwinkels multipliziert mit r ist.Let the angular deflections of the arms A, B, C and D be a, ß, y; then the length sections of the rope that rest on the rollers, which are all assumed to have the same radius r, are equal to (a -I- ß -I- y) r. Finally, let t denote the total pivot angle of arm A against arm D, as it results at the intersection point E of the straight .. extensions of these arms. If the polygon course A, B, C, D is deformed in such a way that this angle c remains constant (for example by moving arm A parallel to itself while arm D is held), then the sum of the individual angles remains a - I- ß -I- y constant; since it is equal to the cumulative angle c. As a result, the length sections of the rope which lie against the pulleys also remain constant, and the entire length of the rope does not change with such displacements. Only in the case of a completely revealing change in the polygon does a change in the total angle c occur, with the change in the total rope length within the system under consideration being equal to the change in the total angle multiplied by r.

Diese überlegung führt zü der Feststellung, daß es nicht notwendig ist, die Änderung der Seillänge an jedem der Gelenke a, b, c zu kompensieren,' sondern daß es genügt, dies an einem einzigen Punkt zu tun, und zwar dem letzten Gelenkpunkt des Gelenk-Polygonsystems, d. h. bei dem betrachteten Beispiel dem Punkt c. 1n diesem Punkt wird man daher eine Gelenkanordnung vorsehen, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist.This consideration leads to the conclusion that it is not necessary to compensate for the change in rope length at each of the joints a, b, c , but that it is sufficient to do this at a single point, namely the last joint point of the joint -Polygon system, ie in the example under consideration point c. At this point one will therefore provide a hinge arrangement as shown in FIG. 1 is shown.

Die F i g. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Anwendung der Anordnung in einem mehrgliedrigen Gelenksystem. Die Arme B und C sind durch zusätzliche parallele Arme B' und C »verdoppelt«. Der Arm B' ist im Punkt A' an eine Verlängerung aä des Armes A angelenkt und in b' einerseits an dem Arm C und andererseits an eine parallel zu ad angeordnete Schwinge bb': Der Arm C ist - wie soeben gesagt - bei b' an den Arm B' und die Schwinge b b' aasgelenkt und im Punkt c' an die Schwinge cc', die parallel zur Schwinge b b' und also auch zur Schwinge a a' ist. Bei den unterschiedlichen Verschiebungen oder Winkeländerungen der auf diese Weise gebildeten Gelenkparallelogramme bleibt die Schwinge cc' stets parallel zum Arm A. Man erkennt nun, daß es genügt, die Längenänderung des Seils 1, das über die Rollen 42, 43 und 44 läuft, lediglich im Punkt c zu der Zahnradsektor 46 mit der Achse c1 starr mit dem Arm D verbunden ist, und die beiden Zahnradsektoren 45 und 46 stehen miteinander im Eingriff, wobei der Abstand ihrer Achsen durch die Schwinge cci konstant gehalten wird. Das Seil 41 läuft in jeweils unterschiedlichen Richtungen zuerst über die Rolle 44 mit der Achse c und dann über die Rolle 47 mit der Achse c1.The F i g. 3 shows a schematic representation of such an application of the arrangement in a multi-link joint system. Arms B and C are "doubled" by additional parallel arms B 'and C. The arm B 'is hinged at point A' to an extension aä of the arm A and in b 'on the one hand to the arm C and on the other hand to a rocker bb' arranged parallel to ad: The arm C is - as just said - at b ' to arm B ' and rocker b b' and at point c 'to rocker cc', which is parallel to rocker b b ' and therefore also to rocker a a' . With the different displacements or angular changes of the articulated parallelograms formed in this way, the rocker cc 'always remains parallel to the arm A. It can now be seen that it is sufficient to change the length of the rope 1, which runs over the rollers 42, 43 and 44, only in Point c to the gear wheel sector 46 is rigidly connected to the arm D with the axis c1, and the two gear wheel sectors 45 and 46 are in engagement with one another, the distance between their axes being kept constant by the rocker arm cci. The rope 41 runs in different directions first over the roller 44 with the axis c and then over the roller 47 with the axis c1.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die obigen Betrachtungen auch für eine Anordnung gemäß F i g. 3 Geltung haben, d. .h., wenn das Seil 41 immer auf den Rollen 42, 43 und 44 an der Außenseite des konvexen Polygonzuges C, a, b, c aufliegt und auf die andere Seite des Armes D nicht vor der beschriebenen Gelenkanordnung übergeht. Selbstverständlich würde im Fall dieser Figur das Seil 41 nicht mehr auf einer der Rollen aufliegen, wenn der betreffende Polygonzug an demjenigen Gelenkpunkt, an dem sich die Rolle befindet, konkav wird.It should also be pointed out that the above considerations also apply to an arrangement according to FIG. 3 have validity, d. .th. When the rope 41 always rests on the rollers 42, 43 and 44 on the outside of the convex polygonal line C, a, b, c and does not pass to the other side of the arm D before the described joint arrangement. Of course, in the case of this figure, the rope 41 would no longer rest on one of the rollers if the polygon in question becomes concave at that joint point at which the roller is located.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 4 ist vorausgesetzt worden, daß eine derartige Verformung des Polygonzuges sich im Punkt b ergeben könnte. Wie aus der F i g. 5 ersichtlich ist, genügt es in diesem Fall, das Seil 41 an dem Verlassen der Rolle 43 zu hindern, wozu zwei Stützrollen 48 und 49 Verwendung finden, von deren Achsen bi bzw. b2 die eine fest mit dem Arm b, die andere mit dem Arm c verbunden ist-Diese beiden Rollen vergrößern den Umschlingungswinkel des Seiles 41 auf der Rolle 43.In the arrangement according to FIG. 4 it has been assumed that such a deformation of the polygon could result at point b. As shown in FIG. 5 can be seen, it is sufficient in this case to prevent the rope 41 from leaving the roller 43 , for which two support rollers 48 and 49 are used, one of whose axes bi and b2 one fixed to the arm b, the other to the Arm c is connected - These two pulleys increase the wrap angle of the rope 41 on the pulley 43.

Claims

Claim: Pivoting joint arrangement with two members or arms pivotable in relation to one another in one plane and at least one flexible pulling element guided along the members or arms and via deflection rollers in the joint arrangement for the transmission of movements, characterized in that the members or arms are known in a manner gear sectors (12, 13 and 14, 15) that are rigidly connected to them and are mounted in at least one common connecting member (8, 9) at a constant center distance from one another and the pulling element (2 a, 2, 2 b) over in different directions the axes (6, 7) of the gear sectors rotatably mounted deflection rollers (16, 17) is guided. Documents considered: German Patent No. 694159; French Patent No. 733193; British Patent No. 815,516.