DE19536913A1

DE19536913A1 - Gelenk-Armkette für manuelle oder angetriebene Bewegung von Lasten

Info

Publication number: DE19536913A1
Application number: DE19536913A
Authority: DE
Inventors: George Dipl Ing Moroianu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-04
Filing date: 1995-10-04
Publication date: 1997-04-10

Description

Die Erfindung gehört zu dem technischen Gebiet der Tragsysteme für Lasten und kann als Schwebelagerung oder als Manipulator für Vorrichtungen, Werkzeuge, Geräte, Leuchten, Kameras, Monitore usw. eingesetzt werden.

Ein umfangreicher Einsatzbereich von der Fertigungstechnik, Montagetechnik, Foto- und Filmtechnik, Medizintechnik, Labortechnik . . . bis hin zum Haushalt ist möglich.

Es sind bekannt Tragsysteme für Lasten, die aus einem in der waagerechten Ebene rotierbaren und in der senkrechten Ebene schwenkbaren Tragarm bestehen.

Die Tragfähigkeit wird von einem eingebauten Kraftmechanismus, der als Kraftelement eine Schraubenfeder oder eine Gasfeder verwendet, gewährleistet (DE 33 12 137 A1; DE 34 16 823 A1; DE 36 42 955 C1).

Die wichtigsten Nachteile sind: ein beschränkter Schwenkwinkel, verursacht von dem kinematisch begrenzten Kraftmechanismus und die auf einer Mantelfläche reduzierten Positioniermöglichkeiten der Last.

Es sind ebenfalls bekannt Tragsysteme für Lasten die aus zwei Armen bestehen. Der Hinterarm, auch Ausleger genannt, kann sich in der waagerechten Ebene um den Fixierpunkt frei drehen und der Vorderarm, der um das Zwischengelenk zwei Bewegungsfreiheiten hat; eine Drehbewegung in der waagerechten Ebene und eine Schwenkbewegung in der senkrechten Ebene (US 5 025 359; Prospekt ONDAL; Prospekt Heraeus, Prospect ALM, Prospect Angenieux).

Die wichtigsten Nachteile sind: ein durch die Kinematik des Kraftmechanismus begrenzter Schwenkwinkel, ein relativ großer Freiraum wird für die Bewegung dieser Zweiarmkonstruktion benötigt und die Positioniermöglichkeiten der Last reduzieren sich auf ein thörförmiges Volumen um den Fixierpunkt.

Es sind ebenfalls bekannt Tragsysteme für Lasten, die aus einen oder mehrere durch Drehgelenke verbundene Ausleger bestehen, die sich aber nur in der waagerechten Ebene drehen können.

Die wichtigsten Nachteile sind: die Last kann nur in der waagerechten Ebene bewegt werden und um jede erreichbare Position anfahren zu können benötigt das Tragsystem einen relativ großen Freiraum für die Bewegung.

Es ist ebenfalls bekannt, daß bei Manipulatoren und Schwebelagerungen für jedes schwenkende bzw. rotierende Armsegment ein elektrischer, pneumatischer oder hydraulischer Antrieb bzw. ein mechanischer oder pneumatischer Kraftmechanismus, eingebaut wird.

Daß heißt, daß außer dem Armsegmentgewicht und der Nutzlast zusätzlich auch das Gewicht der Antriebseinheit bzw. des Kraftmechanismus bewegt werden muß.

Die wichtigsten Nachteile sind: die Verminderung der Nutzlast, relativ hoher Verschleiß, großer Energieverbrauch usw.

Der Anwender benötigt ein mehrachsiges Tragsystem bzw. einen Manipulator für Lasten, mit einen sphärenformigen Bewegungsraum, in dessen Zentrum das Tragsystem bzw. der Manipulator fixiert ist und die Lasten leichtgängig transportieren und jede erreichbare Position langfristig einhalten kann.

Ein reduzierter Freiraum für die Bewegung der Armsegmente und eine entsprechende Gewichtkompensation in den gesamten Bewegungsbereich, sind unentbehrliche Voraussetzungen. Für Manipulatoren werden zusätzlich lange Lebenszeit, kleiner Verschleiß, minimale Instandhaltung und ein niedrigen Energieverbrauch, angefordert.

Die Gelenk-Armkette für manuelle oder angetriebene Bewegung von Lasten ist so gestaltet, daß für jedes Armsegment der Kette ein getrennter Kraftmechanismus oder eine elektrische, pneumatische oder hydraulische Antriebseinheit vorgesehen ist.

Über vollständig getrennte Antriebe (Ketten, Riemen, Zahnräder . . . ) werden die im Kraftmechanismus bzw. in der Antriebseinheit erzeugten Drehmomente von Achse zu Achse frei übertragen, bis die Ziel-Armsegmente oder das fixe Ende der Kette erreicht wird, je nachdem die Drehmomente außerhalb der Kette oder unmittelbar auf den Armsegmenten erzeugt werden. Der Gewichtsausgleich der gesamten Gelenk-Armkette wird durch die Antriebe, die die einzelnen Drehmomente übertragen, realisiert.

Die über einer Achse übertragenen Drehmomente summieren oder substrahieren sich je nach Orientierung und bilden ein resultierendes Drehmoment, das entsprechend auf den Gewichtsausgleich abgestimmt ist.

Die Erfindung, die grundsätzlich ein mehrachsiges Tragsystem ist, hat einen umfangreichen Einsatzbereich, der von der Fertigungstechnik, Montagetechnik, Foto, Filmtechnik, Medizintechnik . . . bis hin zum Haushalt geht.

Die angetriebene Ausführung ist für den Manipulatorenbereich spezifisch.

Die Erfindung hat die folgenden Vorteile:

- durch diese konstruktive Lösung ist der Bau einer mehrachsigen Gelenk-Armkette mit einen sphärischen Bewegungsbereich möglich,
- durch die guten kinematischen Eigenschaften ermöglicht der Kraftmechanismus einen Arm- Schwenkwinkel von mehr als 180 Grad,
- jede Position im Bewegungsbereich kann erreicht und langfristig erhalten werden,
- der Freiraumbedarf für die Bewegung der Armsegmente der Gelenk-Armkette reduziert sich auf ein Minimum,
- es können einfache Manipulatoren mit einer besseren Genauigkeit gefertigt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung der Gelenk-Armkette mit der Aufzeichnung aller Größen die für die Berechnungsformel der Gleichgewichtsbedingung nötig sind,

Fig. 2 kinematische Darstellung einer 3-Segment-Gelenk-Armkette, bei der die Drehmomente außerhalb der Kette erzeugt werden,

Fig. 3 kinematische Darstellung einer 3-Segment-Gelenk-Armkette, bei der das mittlere Segment durch ein Gegengewicht ausgeglichen ist und der Kraftmechanismus für das erste Armsegment bzw. die Bremse für das dritte Armsegment, außerhalb der Kette positioniert sind,

Fig. 4 kinematische Darstellung einer 3-Segment-Gelenk-Armkette bei der die Armsegmente 1 und 2 mit Kraftmechanismen versehen sind und das dritte Armsegment in einer bestimmten Position fixiert bleibt,

Fig. 5 kinematische Darstellung einer 4-Segment-Gelenk-Armkette bei der die Drehmomente außerhalb der Kette erzeugt werden,

Fig. 6 Teilezeichnung: Armsegment-Gehäuse mit detaillierter Darstellung eines zylindrischen Volumens der die Kabel-Schläucheüberführung von einem Gehäuse zum anderen ermöglicht,

Fig. 7 Teilezeichnung: Armsegment-Gehäuse mit detaillierte Darstellung eines zylindrischen Volumens der die Kabel-Schläucheüberführung von einem Gehäuse zum anderen ermöglicht,

Fig. 8 kinematische Darstellung eines Kraftmechanismus, bei dem die Armdrehebene parallel mit der Kraftelement-Schwenkebene ist.

Fig. 9 kinematische Darstellung eines Kraftmechanismus, bei dem die Armdrehebene lotrecht auf die Kraftelement-Schwenkebene ist,

Fig. 10 und Fig. 11 Draufsicht: 2-Segment-Armkette, pyramidale Ausführung,

Fig. 12 Draufsicht: 3-Segment-Armkette, pyramidale Ausführung,

Fig. 13 Draufsicht: 3-Segment-Armkette, S-förmige Ausführung,

Fig. 14 Draufsicht: 3-Segment-Armkette, S-förmige Ausführung,

Fig. 15 Draufsicht: 3-Segment-Armkette, schlangenförmige Ausführung.

Damit die Tragfähigkeit einer mehrachsigen Gelenk-Armkette im gesamten Bewegungsbereich gewährleistet wird, muß auf jedem Armsegment ein bestimmter Drehmoment übertragen werden. Für die Berechnung dieser Drehmomente werden die Länge L1, L2, L3 . . . der Armsegmente, die Winkelposition ∡α, ∡β ∡γ . . . und die auf die Gelenke konzentrierten Gewichte G1, G2, G3 . . . berücksichtigt.

Die Gleichgewicht-Bedingung der Gelenk-Armkette bezogen auf den fixen Drehpunkt (0), kann durch die folgende mathematische Formel ausgedrückt werden:

ΣM_o: (G1 + G2 + G3) × L1 × sinα + (G2 + G3) × L2 × sinβ + G3 × L3 × sinγ

und besteht, rein rechnerisch betrachtet, aus drei selbständig wirkenden Drehmomenten:

M1 = (G1 + G2 + G3) × L1 × sinα, M2 = (G2 + G3) × L2 × sinβ, M3 = G3) × L3 × sinγ

Die Formeln der einzelnen Drehmomente M1, M2, M3 beinhalten nur eine einzige trigonometrische Funktion; sinα, sinβ, sinγ . . . und können deshalb mit üblichen Exzenter- Kraftmechanismen, die ebenfalls nur von einer trigonometrischen Funktion abhängig sind, so erzeugt werden, daß ein Drehwinkel von über 180° abgedeckt werden kann.

Die Drehmomente können außerhalb der Gelenk-Armkette in getrennten Kraftmechanismen oder Antriebseinheiten erzeugt und danach ebenfalls durch getrennte Antriebe von Achse zu Achse übertragen werden bis die Ziel-Armsegmente erreicht werden.

Die Drehmomente können aber auch direkt am Ziel-Armsegment in Kraftmechanismen oder Antriebseinheiten erzeugt werden; in diesen Fall muß der Drehmoment ebenfalls durch getrennte Antriebe, frei von Achse zu Achse bis zu dem fixen Ende der Kette übertragen werden.

In beiden Fällen wirken Drehmoment M1 auf das Armsegment L1, Drehmoment M2 auf das Armsegment L2, Drehmoment M3 auf das Armsegment L3 . . . usw.

Funktionsbedingt müssen die Drehachsen 0, 1, 2, 3 . . . immer waagerecht und parallel untereinander positioniert sein.

Der Gewichtsausgleich der einzelnen Armsegmente und der gesamten Armkette wird durch die Antriebe, die die einzelnen Drehmomente übertragen, realisiert.

Durch dem, daß die Drehmomente die über eine Achse übertragen werden sich nach Orientierung summieren oder substrahieren, entstehen für die einzelnen Armsegmente und für die gesamte Kette resultierende Drehmomente, die positionsspezifisch auf den Gewichtsausgleich abgestimmt sind.

Der im Kraftmechanismus oder Antriebseinheit 22 erzeugte Drehmoment wird über das Antriebselement A1 dem Ziel-Armsegment 11 übertragen.

Der im Kraftmechanismus oder Antriebseinheit 21 erzeugte Drehmoment wird über die Antriebselemente A2, A4 und A6 dem Ziel-Armsegment 12 übertragen.

Der im Kraftmechanismus oder Antriebseinheit 20 erzeugtes Drehmoment wird über die Antriebselemente A3, A5, A7, A8 und A9 dem Ziel-Armsegment 13 übertragen. Wenn die Position 20 eine Bremse ist, dann kann dem Ziel-Armsegment 13 eine fixe, beliebig einstellbare Position zugeordnet werden.

Die Achsen D1, D2 und D3 der Drehgelenke müssen waagerecht und parallel untereinander positioniert sein.

Der im Kraftmechanismus 30 erzeugte Drehmoment wird über das Antriebselement A21 den Ziel-Armsegment 31 übertragen.

Das Armsegment 32 ist um die Drehachse D12 durch ein Gegengewicht 35 ausgeglichen.

Dem Endsegment 33 kann durch die Antriebselemente A26, A25, A24, A23, A22 und der Bremse 34 eine fixe, beliebig einstellbare Funktionsposition zugeordnet werden.

Die Achsen D11, D12 und D13 der Drehgelenke müssen waagerecht und parallel untereinander positioniert sein.

Das Kraftelement 42 mit der Krafteinstellung 43 erzeugt über den Exzenter 41 der Kurbelwelle 40 den nötigen Drehmoment für das Armsegment 44.

Das Kraftelement 46 mit der Krafteinstellung 47 erzeugt über den Zapfen 45 den nötigen Drehmoment, der durch die Antriebselemente A42, A41 an das fixe Antriebselement 40 übertragen wird.

Das Armsegment 48 kann dadurch eine fixe vorbestimmte Position einhalten, daß die Antriebselemente A47, A46, A45 und A44 das o.g. Armsegment mit dem fixen Antriebselement A43 verbindet.

Die Achsen D40, D41 und D42 der Drehgelenke müssen waagerecht und parallel untereinander positioniert sein.

Das im Kraftmechanismus oder Antriebseinheit 50 erzeugte Drehmoment wird über das Antriebselement A50 dem Ziel-Armsegment 51 übertragen.

Das im Kraftmechanismus oder Antriebseinheit 57 erzeugte Drehmoment, wird über die Antriebselemente A51, A52 und A53 dem Ziel-Armsegment 52 übertragen.

Das im Kraftmechanismus oder Antriebseinheit 56 erzeugte Drehmoment wird über die Antriebselemente A54, A55, A56, A57 und A58 dem Ziel-Armsegment 53 übertragen. Das im Kraftmechanismus oder Antriebseinheit 55 erzeugte Drehmoment wird über die Antriebselemente A59, A60, A61, A62, A63, A64 und A65 dem Ziel-Armsegment 54 übertragen. Die Achsen D50, D51, D52 und D53 der Drehgelenke müssen waagerecht und parallel untereinander positioniert sein.

Die Armsegmente können natürlich beliebig gestaltet werden als: offene, beinförmige Konstruktionen oder als Gehäusekonstruktionen in mehreren Ausführungen.

Das Armgehäuse 70 hat an beiden Enden eine Lagerbohrung 71 und für die Kabel- Schlauchdurchführung von einem Armgehäuse zum anderen einen zylinderförmigen Hohlraum 73, der mit einer beliebig positionierten Öffnung 72 für den Kabel-Schlauchdurchgang versehen ist.

Ebenso besteht das Armgehäuse 74 aus den Hohlraum für Antriebe 76 und dem Hohlraum für elektrische Kabel und Schläuche 79, hat an beiden Enden die Lagerbohrungen 75, den zylinderförmigen Hohlraum (78) und die Öffnung (77) für den Kabel-und Schlauchdurchgang.

Bei zwei im Kontakt gegenüberpositionierten Armgehäusen bildet sich durch die zwei gegenüberstehenden zylinderförmigen Hohlräume der ideale Raum, in dem die Kabel oder Schläuche durch eine oder zwei Schleifen von einem Gehäuse zum anderen überführt werden können.

Die Kraftmechanismen können grundsätzlich in mehreren Ausführungen gestaltet werden:

- die Ziel-Armsegment Drehebene kann parallel mit der Schwenkebene des Kraftelementes,
- die Ziel-Armsegment Drehebene kann mit der Schwenkebene des Kraftelementes einen beliebigen Winkel bilden.

Die Kraftmechanismen bestehen aus den Kraftelementen 106 und 116, die an einem Ende mit den Führungen 107 und 117 den Einstellelementen 108 und 118, die die Kraft innerhalb von bestimmten Grenzwerten verstellen können versehen sind und am anderen Ende mit den exzentrischen Zapfen 105 und 115, die durch die auf sie ausgeübte Kraft, die Drehmomente erzeugen, die danach durch die Antriebselemente 103, 104, 113 und 114 der Welle 102 und 112 und dadurch dem Ziel-Armsegment 101 und 111 übertragen werden.

Mit den zwei bereits oben beschriebenen Armgehäusen und einem zusätzlichen Gehäusedeckel, können pyramidalförmige, S-förmige oder schlangenförmige Ausführungen von Armketten gestaltet werden.

Jede einzelne Ausführung kann für spezifische Einsatzbereiche bevorzugt werden.

Claims

1. Die Gelenk-Armkette für manuelle oder angetriebene Bewegung von Lasten ist dadurch gekennzeichnet, daß für die Gewährleistung der Tragfähigkeit, in getrennten Kraftmechanismen/Antriebseinheiten die Drehmomente M1, M2, M3, . . . erzeugt und durch ebenfalls getrennte Antriebe (Ketten, Riemen, Zahnräder . . . ) von Achse zu Achse frei übertragen werden, bis die außerhalb der Kette erzeugten Drehmomente die Ziel- Armsegmente erreichen oder bis die auf dem Ziel-Armsegment erzeugten Drehmomente das fixe Ende der Kette erreichen, in allen Fällen gilt als Funktionsbedingung, daß der Drehmoment M1 nur auf das Armsegment L1, der Drehmoment M2 nur auf das Armsegment L2, der Drehmoment M3 nur auf das Armsegment L3 . . . , wirken darf.

2. Die Gelenk-Armkette nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsformel der einzelnen Drehmomente nur eine einzige trigonometrische Funktion beinhaltet, so daß die Drehmomente M1, M2, M3 . . . in üblichen Exzenter-Kraftmechamismen synchronisiert mit der Ziel-Armbewegung für einen Drehwinkel von über 180°erzeugt werden können.

3. Die Gelenk-Armkette nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenk- Armkette aus einem fixen Ende, an dem die Kraftmechanismen oder Antriebseinheiten mit Positionierfunktionen angeschlossen werden können, eine Mehrzahl von Gelenken und Armsegmenten auf denen durch Antriebe die Drehmomente übertragen werden und ein mobiles Ende, an dem die Traglast angebracht wird, besteht.

4. Die Gelenk-Armkette nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenk- Armkette aus einen fixen Ende, eine Mehrzahl von Gelenken und Armsegmenten, auf denen durch Antriebe die auf die Ziel-Armsegmente, in Kraftmechanismen oder Antriebseinheiten erzeugten Drehmomente bis zum fixen Ende übertragen werden und ein mobiles Ende, an dem die Traglast angebracht wird, besteht.

5. Die Gelenk-Armkette für manuelle oder angetriebene Bewegung von Lasten ist dadurch gekennzeichnet, daß in den Kraftmechanismen die Kraftelemente (106) und (116) die durch die Einstellelemente (108) und (118) und Führung (107) und (117) eingestellt werden können, auf die exzentrischen Zapfen (105) und (115) die Kraft ausüben und dadurch entstehen die nötigen Drehmomente die durch die Antriebselemente (103, 104, 113) und (114) an die Welle (102) und (112) und letztendlich an das Ziel-Armsegment (101) und (111) übertragen werden.

5. Die Gelenk-Armkette nach Patentanspruch 5 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungs-Ebenen des Ziel-Armsegmentes und des Kraftelementes parallel sein können oder einen beliebigen Winkel beschreiben.

7. Die Gelenk-Armkette für manuelle oder angetriebene Bewegung von Lasten ist dadurch gekennzeichnet, daß die zentral, außerhalb der Gelenk-Armkette angebrachten Antriebseinheiten mit Positionierfunktionen durch spielfreie Antriebe von Achse zu Achse bis zum Ziel-Armsegment die Bewegungen frei übertragen und dadurch ein manipulatortaugliches Funktionieren gewährleisten können.

8. Die Gelenk-Armkette für manuelle oder angetriebene Bewegung von Lasten ist dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsgeber auf einer Antriebsachse an die Antriebseinheit, oder an Ziel-Armsegment, oder an beiden Stellen gleichzeitig angebracht werden können.

9. Die Gelenk-Armkette für manuelle oder angetriebene Bewegung von Lasten ist gekennzeichnet, daß die Armgehäuse (70) und (74) an beiden Enden mit Lagerbohrungen (71) und (75) und zylinderformigen Hohlräumen (73) und (78) versehen sind mit der Funktion, daß zwischen zwei in Kontakt gegenüber positionierten Armgehäusen durch diese Hohlräume die elektrischen Kabel oder Schläuche von einem Armgehäuse zum anderen überführt werden können.

10. Die Gelenk-Armkette für manuelle oder angetriebene Bewegung von Lasten ist gekennzeichnet, daß mit den Armgehäusen (70) und (74) und zusätzlich einem passenden Gehäusedeckel, pyramidalförmige, S-förmige oder schlangenförmige Ausführungen von Armketten möglich sind.