DE19606521C1

DE19606521C1 - Dreidimensional verstellbares Universalgelenk mit sechs Freiheitsgraden

Info

Publication number: DE19606521C1
Application number: DE1996106521
Authority: DE
Inventors: Doerfel Daniel Prieto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-22
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 1997-10-16
Anticipated expiration: 2016-02-23

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Universalgelenk mit sechs Freiheitsgraden, das insbesondere für den Einsatz in Handhabungsgeräten, Robotern, chirur gischen Instrumenten oder ähnlichen Geräten vorgesehen ist.

Ein möglicher Verwendungszweck als Handgelenk für einen Roboterarm ist auf Fig. 2 dargestellt. Das Gelenk wird als Glied zwischen Roboterarm (8) und Endeffektor (9) eingesetzt.

Aus mehreren Veröffentlichungen der entsprechenden Fachliteratur sind Hexa pod-Strukturen (Sechsbein-Strukturen) bekannt, die auf einer Entwicklung von D. Stewart (Proc Instn Mech Engrs 1965, voll 180 Pt1 No15) basieren. Diese Struktur wurde für große Maschinen wie Flugsimulatoren oder Reifenprüfstände entwickelt. Ein derartiges Hexapod-Gelenk ist aus GB 21 44711 A bekannt.

Auch im Bereich der Robotik werden Hexapoda jetzt als Gelenke für Mani pulatoren erprobt, da die zur Steuerung notwendigen leistungsfähigen Computer ein gutes Kosten-Leistungs-Verhältnis erreicht haben. (Int. J. Robot. Res. 157-182, 1986 und Computers Elect. Engng Vol. 17 No3 pp191-203 1991). Aus CH 637 870 ist ein Gelenk bekannt, das über eine zentrale Abstützung verfügt. Diese Abstützung ist jedoch unbeweglich mit einer Gelenkplatte verbunden und nicht als längenverstellbarer Aktor ausgebildet. Alle zur Bewegung des Gelenks notwendigen Kraftzylinder befinden sich zwischen den Gelenkhälften und werden nicht durch Züge ersetzt.

In der Patentschrift EP 02 08 495 A1 findet sich der Hinweis, Gelenkhälften mittels Zügen gegeneinander zu bewegen. Allerdings weist das beschriebene Gelenk keine geometrische Analogie zu hexapodähnlichen Gelenken auf.

Beim Hexapod nach der GB 214 471 A1 sind zwei sich gegenüberliegende Flächen durch sechs in ihrer Länge veränderbare Beine verbunden, die auf Zug und Druck belastbar sind. Durch die deshalb notwendige Anordnung von sechs Aktoren im Innenbereich des Gelenks, ist eine Miniaturisierung des Hexapod nur bei starker Verringerung des Bewegungsspielraums möglich. Die bisher bekannten auf dem Hexapod basierenden Gelenkkonstruktionen leiden unter diesem Nachteil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den genannten Nachteil zu vermei den oder doch merklich zu mindern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch Einführung eines neuen siebenten Aktors (3) entsteht eine Heptapod-Struktur (Siebenbein-Struktur). Der neu eingeführte Aktor (3) ist dadurch charakterisiert, daß er zentral wirkend sämtliche Druckkräfte aufnimmt und dadurch die übrigen Elemente von der Aufgabe der Übertragung von Druckkräften entbunden werden.

Diese neue Kräfteverteilung erlaubt es, die außen angeordneten Beine durch Züge (4) zu ersetzen, deren Antriebe (6) sich außerhalb des eigentlichen Ge lenkraums befinden.

Diese Züge (4) sind fest mit der ersten Plattform (1) verbunden und durch geeignete Führungen (7) in der zweiten Plattform (2) durch diese durchziehbar.

Die Befestigungspunkte (5) der Züge (4) auf der ersten Plattform (1), wie die Durchführungen (7) der Züge (4) durch die zweite Plattform (2) sind jeweils auf einer Kreislinie um die Anlenkung des zentralen Verbindungselements (Aktor 3) angeordnet, und zwar jeweils paarweise an drei um 120° zueinander versetzten Positionen.

Die Lage der Befestigungspunkte (5) der Züge (4) auf der ersten Plattform (1) ist in der Ausgangsstellung des Gelenks gegenüber der Lage der Durch führungen (7) der zweiten Plattform (2) um 60° verdreht angeordnet.

Die Antriebe (6) zur Betätigung dieser Züge (4) können weit außerhalb des eigentlichen Gelenkraums angeordnet sein.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gelenks ergeben sich gegen über dem bekannten Hexapod einige Vorteile:
Bei nur einem zentralen Aktor im Bereich zwischen den Plattformen ist mehr Freiraum innerhalb des Gelenks vorhanden als bei den sechs Aktoren des Hexapod. Dieser Freiraum kann dazu genutzt werden, den Bewegungsbereich des Gelenks zu vergrößern, beziehungsweise das Gelenk zu verkleinern.

Eine Vergrößerung des Bewegungsspielraums wird durch die Züge ermöglicht, da diese sich ganz in die Durchführungen der zweiten Plattform einziehen lassen. Die Distanz zweier auf einem Zug liegender Plattformpunkte kann dadurch theoretisch bis auf Null verringert werden. Verbindungselemente, wie zum Beispiel Spindelantriebe oder Zylinder, die in Hexapoda eingesetzt werden, sind dazu nicht in der Lage.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch Verlegung der Masse von fünf Antrieben aus dem Gelenk heraus das Massenträgheitsmoment beispielsweise eines Roboterarms mit Heptapodgelenk gegenüber dem eines Arms mit Hexa podgelenk reduziert werden kann.

Aus der Tatsache, daß sich alle Druckkräfte auf nur einem einzelnen zentralen Aktor abstützen, ergibt sich ein Sicherheitsaspekt. Über diesen zentralen Aktor kann die Kraft kontrolliert werden, die vom Gelenk auf einen Fremdkörper aus geübt wird. Bei einer Kollision, zum Beispiel mit einer Person, kann durch ein Nachgeben dieses Aktors das Gelenk kontrolliert einknicken und dadurch größere Verletzungen vermeiden.

Claims

1. Dreidimensional verstellbares Universalgelenk mit sechs Freiheitsgraden, bei dem

- sich zwei über sechs Züge (4) gegeneinander bewegliche Plattformen (1 und 2) gegenüberstehen, die durch einen ausschließlich auf Druck belasteten, zentral wirkenden, längenverstellbaren Aktor (3) voneinander getrennt werden,
- die Züge (4) paarweise an drei um 120° zueinander versetzten Positionen (5) auf einer fiktiven Kreislinie um die Anlenkung des zentralen Aktors (3) an der ersten Plattform (1) befestigt sind
- die Züge (4) in geänderter Paarung durch drei um 120° versetzt zu einander auf einer fiktiven Kreisbahn um den zentralen Aktor (3) angeordnete Durchführungen (7) durch die zweite Plattform (2) geführt werden
- die Lage der Durchführungen (7) der zweiten Plattform (2) gegenüber der Lage der Befestigungspositionen (5) an der ersten Plattform (1) um 60° entlang der Kreislinie verdreht angeordnet sind, und
- die Antriebe (6) zur Betätigung der Züge (4) außerhalb des Gelenkraums angeordnet sind.

2. Gelenk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit den Antrieben (6) der Züge (4) und dem zentralen Aktor (3) verbundene Steuer- und Regeleinheit zur Ansteuerung der Längen verstellung vorgesehen ist.

3. Gelenk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftkontrolle eine Steuer- und Regeleinheit vorgesehen ist, die an Zügen (4) und zentralem Verbindungselement (Aktor 3) Kraftmessun gen erlaubt und bei einer Überschreitung einer zulässigen Kraft das zentral angeordnete Verbindungselement (Aktor 3) verkürzt und die Längen der Züge (4) entsprechend anpaßt.