DE1291084B

DE1291084B - Getriebeverbindung zum voneinander unabhaengigen Kuppeln von zwei Bewegungen zweier um eine gemeinsame Achse verdrehbarer Glieder eines Manipulators

Info

Publication number: DE1291084B
Application number: DEC29743A
Authority: DE
Inventors: Fortin Antoine; Vertut Jean; Fortin Marcel
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1962-04-25
Filing date: 1963-04-24
Publication date: 1969-03-20
Also published as: BE631545A; CH398814A; FR1350624A; GB1006272A; NL291905A; SE310030B; LU43604A1; US3315542A

Description

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf eine Getriebeverbin- einander beweglichen Gliedern bestehen, wobei ein-

dung zum voneinander unabhängigen Kuppeln von ander entsprechende Armglieder auf der Steuerseite

zwei Bewegungen zweier um eine gemeinsame Achse und auf der Arbeitsseite durch flexible Zugorgane,

verdrehbarer Glieder eines Manipulators ausschließ- wie Bänder, Seile oder Ketten, miteinander gekuppelt

Hch durch sich drehende, außerhalb der gemeinsamen 5 sind. Daneben sind bei dem Manipulator nach der

Achse angeordnete, auf Torsion beanspruchte Wellen USA.-Patentschrift 2 632 574 einzelne Annglieder

mit Ritzeln sowie Zahnräder oder Zahnkränze. mit ihren Nachbarn auch über Kegelräder gekuppelt,

Manipulatoren, wie sie zur Handhabung von Ge- die mit an den Enden zweier einander gegenüber-

genständen im Inneren eines wegen radioaktiver Ver- liegender Wellen sitzenden Ritzern kämmen. An dieseuchung oder aus sonstigen Gründen unzugänglichen io sen Stellen ist jedoch die gegenseitige Beweglichkeit

Raumes Verwendung finden, bestehen aus einem im der einzelnen Armglieder auf eine Verschwenkung

Inneren dieses Raumes angeordneten Arbeitsorgan um die Achse der zwischen den Wellen liegenden

und einem außerhalb dieses Raumes befindlichen Kegelräder beschränkt. Der hauptsächliche Nachteil

Steuerorgan, wobei zumindest das Arbeitsorgan aus von Manipulatoren dieser Art liegt in der durch die mehreren gegeneinander beweglichen Gliedern be- 15 Verwendung von flexiblen Zugorganen zur Befehls-

steht und zwischen diesen Gliedern und dem Steuer- Übertragung bedingten Erhöhung von Störanfälligkeit

organ Verbindungselemente vorhanden sind, mit und Wartungsbedarf. Außerdem wird der Platzbedarf

deren Hilfe sich Steuerbefehle von dem Steuerorgan einer derartigen Befehlsübertragung im allgemeinen

auf die einzelnen Glieder des Arbeitsorgans übertra- größer sein als bei einer Übertragung, die allein mit gen lassen. Dabei stellt sich die Aufgabe, die Steuer- so Zahnrädern und Zahnkränzen auskommt,

befehle in solcher Weise für die einzelnen Glieder des Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe

Arbeitsorgans wirksam werden zu lassen, daß diese zugrunde, eine Getriebeverbindung zu schaffen, die

Glieder möglichst viele Freiheitsgrade erhalten und unter alleiniger Verwendung von Zahnkränzen und

bei ihrer Bewegung nicht zu einer ungewollten Ver- Zahnrädern an Wellen die Möglichkeit zu einer stellung anderer Glieder führen. 35 gleichzeitigen und voneinander unabhängigen Über-

Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses Zieles be- tragung von mehreren Drehbewegungen verschiede-

steht darin, mechanische Verkopplungen nur zwischen ner Glieder des Steuer armes und des Arbeitsarmes

den einzelnen Gliedern des Arbeitsorgans, das eines Manipulators ermöglicht,

meistens die Form eines Armes besitzt und deshalb Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geim folgenden kurz als Arbeitsarm bezeichnet werden 30 löst, daß jeweils eine treibende Welle und eine ge-

soll, vorzusehen und die Übertragung der Steuer- triebene Welle, die endseitig mit gleichen Ritzeln ver-

befehle von dem Steuerorgan auf die einzelnen Glie- sehen sind, mit einem gemeinsamen, frei um die

der des Arbeitsannes auf elektrischem, magnetischem Achse der Relativbewegung der Manipulatorglieder

oder hydraulischem Wege vorzunehmen. Beispiele für drehbaren Zahnrad oder Zahnkranz kämmen, derart aufgebaute Manipulatoren sind in der USA.- 35 Mit Hilfe der Erfindung läßt sich ein Manipulator

Patentschrift 2 679 940, der französischen Zusatz- mit einem Steuerarm und einem Arbeitsarm bauen,

Patentschrift 74 850 zu der französischen Patent- deren Glieder über erfindungsgemäß ausgebildete Ge-

schrift 1187997 und in der USA.-Patentschrift triebeverbindungen miteinander gekuppelt sind, wo-

2 822094 beschrieben. Bei allen diesen bekannten bei jeweils die angetriebene Welle jeder Getriebe-Manipulatoren sind mechanische Übertragungsorgane 40 verbindung im Steuerarm die treibende Welle für die

nur zwischen den einzelnen Gliedern des Arbeite- entsprechende Getriebeverbindung im Arbeitsarm

armes wirksam, wobei diese mechanischen Verbin- bildet.

dungselemente Seilzüge, Ketten oder auch Zahnräder Zur weiteren Erläuterung einer Getriebeverbin- und Wellen sein können, die gegebenenfalls über dung nach der Erfindung wird eine Ausführungsform differentialartige Getriebe miteinander gekuppelt 45 und deren Einsatz bei einem Manipulator unter Besind, zugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der

Der wesentliche Nachteil aller dieser Manipulate- Zeichnung zeigt

ren liegt einerseits darin, daß der Arbeitsarm für die F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfin-

Bewegung jedes einzelnen seiner Glieder jeweils einen dungsgemäß ausgebildeten Getriebeverbindung, eigenen Antriebsmotor aufweisen muß, der von dem 50 Fig. 2 eine stark schematisierte Darstellung eines

Steuerorgan auf elektrischem, hydraulischem oder unter Verwendung derartiger Getriebeverbindungen

magnetischem Wege in Betrieb gesetzt wird, und daß aufgebauten Manipulators,

außerdem die Möglichkeit entfällt, die Bewegungen Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Steuerarm

der einzelnen Glieder des Arbeitsarmes durch ihnen des Manipulators nach F i g. 2 und sinnfällig entsprechende, zwangläufig gekuppelte Be- 55 Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Arbeitsraum

wegungen eines ebenfalls in Form eines Armes, der des gleichen Manipulators.

im folgenden als Steuerarm bezeichnet werden soll, Die in Fig. 1 veranschaulichte erfindungsgemäß

ausgebildeten Steuerorgans zu bewirken. Die Folge ausgebildete Getriebeverbindung ist zur Kupplung

ist zum einen eine Verteuerung der Herstellung der zweier um die Achse XX' drehbarer Armglieder eines

bekannten Manipulatoren und zum anderen die Not- 60 Manipulators bestimmt, von denen das eine zwei trei-

wendigkeit, ihre Bedienung besonders ausgebildetem bende Wellen la und la und das andere zwei mit

Personal anzuvertrauen. diesen treibenden Wellen la, la zusammenarbei-

Insbesondere in dieser letzteren Beziehung günsti- tende getriebene Wellen Ib und 2b aufweist,

ger sind daher Manipulatoren, wie sie in der USA.- Es besteht dabei die Aufgabe, die individuelle

Patentschrift 2 632 574 oder der französischen Patent- 65 Drehbewegung jeder der beiden treibenden Wellen la

schrift 1285 335 beschrieben sind und bei denen und 2 a auf die zu ihnen parallelen getriebenen WeI-

einerseits ein Steuerarm und andererseits ein Arbeits- len Ib und 2 b zu übertragen, ohne eine Drehung der

arm vorhanden sind, die jeweils aus mehreren gegen- von den Wellen la und 2a bestimmten Ebene gegen-

3 4

über der von den getriebenen Wellen Ib und 2b be- mit ihm des Arbeitsarmes 15 um die Achse YY'

stimmten Ebene um die Achse XX' der Armglieder des Verbindungsrohres 11.

zu beeinträchtigen. Dazu sind an den Enden der WeI- 8. Eine Verschiebung des Verbindungsrohres 11

len la, la, Ib und 2b jeweils identische Ritzel 3a und mit ihm des Arbeitsarmes 15 längs der

und 4 α bzw. 3 b und 4 b angeordnet, von denen die 5 Achse YY' und

Ritzel 3 a und 3b an den Wellen la und Ib mit 9. eine sphärische Verschwenkung des Verbineinem Zahnkranz 5 mit Innenverzahnung und die dungsrohres 11 und des daran angelenkten Ar-Ritzel 4« und Ab an den Wellen 2a und 2b mit beitsarmes 15 um den Mittelpunkt des Kugeleinem Zahnkranz 6 mit Innenverzahnung kämmen, gelenkes 9.

wobei sich die Zahnkränze 5 und 6 dank ihrer gegen- io Alle diese Bewegungsmöglichkeiten stehen durch seitigen Lagerung mit Hilfe von Kugeln 7 unabhängig den Einsatz von Getriebeverbindungen nach der Art voneinander um die Achse XX' drehen lassen. der in den F i g. 1 dargestellten erfindungsgemäß ausin der F i g. 2 ist ein Manipulator dargestellt, bei gebildeten Getriebeverbindung gleichzeitig und dendem ein Steuerarm 12 und ein Arbeitsarm 15 über noch voneinander unabhängig offen. Eine mögliche ein Verbindungsrohr 11 miteinander in Verbindung 15 Ausführungsform für die Gestaltung der einzelnen stehen, das eine den Arbeitsraum 15 von dem Steuer- Wege zur Übertragung der Steuerbefehle vom Steuerraum 12 trennende Schutzwand 8 in einem Kugel- arm 12 auf den Arbeitsarm 15 bzw. seine einzelnen gelenk 9 und einem Gleitlager 10 durchquert. Dabei Glieder ist in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht, die ist der Steuerarm 12 im Punkt O und der Arbeits- einander ergänzen und jede mehrere Getriebeverbinarm 15 im Punkt O₁ an das Verbindungsrohr 11 an- ao düngen von der Art der Getriebeverbindung nach gelenkt. An das freie Ende des Steuerarmes 12 ist im F i g. 1 zeigen, die jeweils eine Welle gemeinsam Punkt P ein Handgriff 14 mit einem Drücker 18 an- haben, die für die Getriebeverbindung auf der Steuergelenkt und an das freie Ende des Arbeitsarmes im armseite die getriebene Welle und für die zugehörige Punkt P₁ ein Futter 16 mit einem Greifer 17. Getriebeverbindung auf der Arbeitsarmseite die trei-

Einem derartigen Manipulator stehen im Arbeits- 25 bende Welle darstellt.

raum neun Bewegungsmöglichkeiten offen, die sich Im einzelnen sind für die verschiedenen obener-

jeweils durch einen bestimmten Steuerbefehl im wähnten Bewegungsmöglichkeiten die nachstehenden

Steuerraum 12 auslösen lassen. Übertragungswege vorgesehen:

Diese neun Bewegungsmöglichkeiten sind: 1. Das Öffnen und Schließen des Greifers 17 er-

30 folgt mit Hilfe eines Antriebsrades 1.5, das auf das

1. Das öffnen und Schließen des Greifers 17, aus- steuerarmseitige Ende einer Welle T.5 wirkt, die gelöst durch das Betätigen des Drückers 18 am doppelte Kardangelenke 19 a, 19 b, 20 a, 20 b, 21a, Handgriff 14. 216 und 22a, 22b aufweist, die es ihr ermöglichen,

2. Eine unbegrenzte Drehung des Greifers 17 um den Winkelversetzungen bei Verschwenkungen von seine Achse P₁O₁ nach beiden Richtungen, aus- 35 einzelnen Manipulatorteilen um die Achsen PP', 00', gelöst durch eine entsprechende Drehung des O₁O₁' und P₁P₁' zu folgen. Am arbeitsarmseitigen Handgriffes 14 um seine Achse PQ. Ende der Welle T.S sitzt ein Gewinde V.S, in das

3. Eine Verschwenkung des Greifers 17 um eine eine Mutter 23 eingreift, deren Verschiebung auf der senkrecht zur Achse ZZ' des Arbeitsarmes 15 Welle Γ.5 das öffnen und Schließen des Greifers 17 stehende Achse P₁P₁ nach beiden Richtungen, 40 bewirkt.

ausgelöst durch eine entsprechende Verschwen- 2. Für die Drehung des Greifers 17 um seine Achse kung des Handgriffes 14 um eine senkrecht zur P_xQ₁ wird der Handgriff 14 um seine Achse PQ verAchse XX' des Steuerarmes 12 stehende Achse dreht, und diese Drehung wird über ein Zahnrad PP'. CP.1, zwei damit kämmende Ritzel 1.2 und 1.4, zwei

4. Eine unbegrenzte Drehung des Arbeitsarmes 15 45 mit diesen verbundene Kegelräder 2.2 und 2.4 sowie um seine Achse ZZ', ausgelöst durch eine ent- zwei um ihre Achse PP' frei drehbare Kegelräder 3.2 sprechende Drehung des Steuerarmes 12 um und 3.4 auf zwei weitere damit im Handgriff stehende seine Achse XX'. Kegelräder 4.2 und 4.4 übertragen. Die Kegelräder

5. Eine Verschwenkung des Arbeitsarmes 15 um 4.2 und 4.4 sitzen auf dem steuerarmseitigen Ende eine zur Achse YY' des Verbindungsrohres 11 50 zweier Wellen T.2 und TA, an deren arbeitsarmseitisenkrechte Achse O₁O₁', ausgelöst entweder gen Enden zwei Kegelräder 9.2 und 9.4 vorgesehen durch eine entsprechende Verschwenkung des sind, die über ein dem eben beschriebenen Getriebe Steuerarmes 12 um eine gleichfalls zur Achse analoges Getriebe mit frei um ihre Achse P₁P₁ dreh- YY' des Verbindungsrohres 11 senkrechte Achse baren Kegelrädern 10.2 und 10.4, zwei weiteren Ke- OO' oder durch eine Betätigung eines Steuer- 55 gelrädern 11.2 und 11.4, zwei Ritzeln 12.2 und 12.4 hebeis 13 zur winkelmäßigen Verstellung des sowie einem an dem Futter 16 befestigten Zahnrad Arbeitsarmes 15 gegenüber dem Steuerarm 12 C.P.2 die gleichsinnige Drehung der Wellen T.2 und mit Hilfe eines Verstellmechanismus 24, wo- TA auf den Greifer 17 übertragen und diesen je nach durch der Arbeitsarm 15 beispielsweise in die in Drehrichtung um seine Achse P₁O₁ entsprechend F i g. 2 mit gestrichelten Linien dargestellte Stel- 60 drehen.

lung gelangt. Die Wellen T.2 und TA sind jeweils sowohl im

6. Eine Änderung der Länge des Arbeitsarmes 15 Steuerarm 12 als auch im Arbeitsarm 15 durch eine durch eine teleskopartige Verschiebung seiner Getriebeverbindung der in F i g. 1 veranschaulichten einzelnen Teile 15 a, welche Bewegungsmöglich- Art unterbrochen, und zwar sitzen auf der Welle T.2 keit ebenfalls in F i g. 2 mit gestrichelten Linien 65 im Steuerarm 12 Ritzel 5.2 und 6.2 und im Arbeitsveranschaulicht ist und durch einen Getriebe- arm 15 Ritzel 7.2 und 8.2, welche Ritzelpaare jeweils motor 25 bewirkt wird. über einen um seine Achse frei drehbaren Zahnkranz

7. Eine Drehung des Verbindungsrohres 11 und C.1.2 bzw. C.2.2 miteinander gekuppelt sind. Ent-

I 291

sprechend ist die Welle TA im Steuerarm 12 mit Ritzern 5.4 und 6.4 und im Arbeitsarm 15 mit Ritzeln 7.4 und 8.4 versehen, die über frei um ihre jeweilige Achse drehbare Zahnkränze C.1.4 bzw. C.2.4 paarweise miteinander gekuppelt sind.

3. Die Verschwenkung des Greifers 17 um seine Achse P₁P₁' wird durch eine Verschwenkung des Handgriffs 14 um seine Achse PP' ausgelöst, bei der das Zahnrad C.P.1 und damit auch die mit diesem kämmenden Ritzel 1.2 und 1.4 ebenso wie die mit ihnen kämmenden Kegelräder 2.2 und 2.4 in Ruhe bleiben, wodurch es zu einer gegenseitigen Drehung der Kegelräder 4.2 und 4.4 und damit auch der Wellen Γ.2 und TA kommt, die über die zwischengelagerten Getriebeverbindungen im Steuerarm 12 und im Arbeitsarm 15 auf das Kegelradgetriebe am arbeitsarmseitigen Ende der Wellen Γ.2 und TA übertragen und von diesem in eine Drehung des Greifers 17 um die Achse P₁P₁' umgesetzt wird.

4. Die Drehung des Arbeitsarmes 15 um seine ao Achse ZZ' wird durch eine Drehung des Steuerannes 12 um seine Achse XX' ausgelöst, wobei sich ein fest mit dem Steuerarm 12 verbundener Zahnkranz C.l.l mitdreht und eine gleichsinnige Drehung von damit im Eingriff stehenden Ritzeln 1.1 und 1.3, von mit diesen gekoppelten Kegelrädern 2.1 und 2.3 ebenso wie um ihre jeweilige Achse frei drehbaren, im Ge· triebezug folgenden Kegelrädern 3.1 und 3.3 sowie 4.1 und 4.3 letztlich auch von damit kämmenden Kegelrädern 5.1 und 5.3 sowie mit diesen verbundenen Ritzeln 6.1 und 6.3 bewirkt. Mit den Ritzeln 6.1 und 6.3 drehen sich Wellen Γ.1 und Γ.3 mit, an deren Enden im Arbeitsarm 15 eine analoge Getriebekette mit Kegelrädern 7.1 und 7.3, 8.1 und 8.3, 9.1 und 9.3 sowie Zahnrädern 10.1 und 10.3 die gleichsinnige Drehung der Wellen Γ.1 und Γ.3 in eine der Drehung des Steuerarmes 12 entsprechende Drehung eines mit dem Arbeitsarm 15 fest verbundenen Zahnkranzes C.2.1 umsetzen.

5. Die Verschwenkung des Arbeitsarmes 15 um die Achse O₁O₁' wird durch eine Verschwenkung des Steuerarmes 12 um die Achse OO' ausgelöst, bei der die Ritzel 1.1 und 1.3 sowie die Kegelräder 2.1 und 2.3 in Ruhe bleiben, die Kegelräder 3.1 und 3.3, 4.1 und 4.3, 5.1 und 5.3 sowie die Ritzel 6.1 und 6.3 dagegen in gegensinnige Drehung versetzt werden, wodurch sich auch die Wellen Γ.1 und Γ.3 gegensinnig drehen, welche Drehung über die steuerarmseitige Getriebekette mit den Kegelrädern 7.1 und 7.3 sowie 8.1 und 8.3 in eine Schwenkung des Arbeitsarmes 15 um die Achse O₁O₁' umgesetzt wird.

Für die winkelmäßige Verstellung des Steuerarmes 12 gegenüber dem Arbeitsarm 15 ist der Verstellmechanismus 24 vorgesehen, der eine gegenseitige Entkopplung dieser Arme ermöglicht, indem er es gestattet, an den Ritzeln 6.1 und 6.3 angebrachte Zahnkupplungen 6.1a bzw. 6.3 a wahlweise mit Muffen 6.1 b bzw. 6.3 b in Eingriff zu bringen, die ihrerseits fest mit den Kegelrädern 5.1 bzw. 5.3 verbunden sind, wodurch der Übertragungsweg zwischen den Kegelrädern 5.1 bzw. 5.3 und der jeweils zugehörigen Welle 7\1 bzw. Γ.3 hergestellt oder unterbrochen werden kann. In F i g. 3 ist das Ritzel 6.1 in eingerückter Stellung dargestellt, wogegen das Ritzel 6.3 sich in ausgerückter Lage befindet und daher der Kraftschluß zum Steuerarm 12 aufgehoben ist.

6. Für die Verlängerung oder Verkürzung des Arbeitsarmes 15 durch teleskopartige Verschiebung seiner Teile gegeneinander ist ein doppeltes Spindel-Mutter-System F.O.l und F.O.2 vorgesehen, das sich durch die Drehung einer Welle T.O betätigen läßt, die ihrerseits von dem Getriebemotor 25 in Gang gesetzt wird. An der Stelle der Achse O₁O₁ im Arbeitsarm 15 ist die Welle T.O mit einem doppelten Kardangelenk 26 α, 26 b versehen.

7. bis 9, Die Drehung, die Verschiebung und die Verschwenkung des Verbindungsrohres 11 in dem Kugelgelenk 9 bzw. dem Gleitlager 10 erfolgt einfach durch Ausübung von Druck oder Zug auf das Verbindungsrohr 11. Alle diese Bewegungen dienen allein der Verschiebung des Manipulators als Ganzes und können während Bewegungen seiner Teile blokkiert werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Getriebeverbindung zum voneinander unabhängigen Kuppeln von zwei Bewegungen zweier um eine gemeinsame Achse verdrehbarer Glieder eines Manipulators ausschließlich durch sich drehende, außerhalb der gemeinsamen Achse angeordnete, auf Torsion beanspruchte Wellen mit Ritzeln sowie Zahnräder oder Zahnkränze, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine treibende Welle (z.B. Ia₁Id) und eine getriebene (z.B. Ib, 2b) Welle, die endseitig mit gleichen Ritzeln (z.B. 3 a, 3 έ; 4α, 46) versehen sind, mit einem gemeinsamen, frei um die Achse der Relativbewegung der Manipulatorglieder (z.B. 11,12, 15) drehbaren Zahnrad oder Zahnkranz (z.B. 5 bzw. 6) kämmen.

2. Manipulator mit einem Steuerarm und einem Arbeitsarm, deren Glieder über Getriebeverbindungen nach Anspruch 1 miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die getriebene Welle (z.B. TA) jeder Getriebeverbindung (z. B. 5.4, C.1.4) im Steuerarm (12) die treibende Welle für die entsprechende Getriebeverbindung (z. B. 7.4, C.2.4, 8.4) im Arbeitsarm (15) bildet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen