DE19608843C2 - Roboter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Roboter mit einem mehrachsigen Handgelenk und mit einem Kopplungsge­ triebe zur Übertragung der Antriebskräfte von den Antriebswellen auf den jeweiligen angetriebenen Achsen des Handgelenks zugeordnete Antriebsräder.

Roboter der hier angesprochenen Art sind bekannt (US-Patentschrift 4,636,138). Dieser Roboter mit einem mehrachsigen Handgelenk verfügt über ein Kopplungsgetriebe, über das der Antrieb der einzel­ nen Gelenkachsen des Handgelenks erfolgt. Das Kopplungsgetriebe umfaßt dabei eine erste Räderan­ ordnung und eine zweite dem Handgelenk zugeordnete Räderanordnung. Die Räderanordnungen sind über Ge­ triebemittel miteinander verbunden.

Es hat sich als nachteilig herausgestellt, daß durch die Vielzahl der dem Kopplungsgetriebe zugeordneten Zahnräder eine Montage beziehungsweise Demontage des Handgelenks sehr aufwendig und damit kostenintensiv ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Roboter zu schaf­ fen, dessen Kopplungsgetriebe so ausgebildet ist, daß die dem Antrieb zugeordnete Räderanordnung und die dem Handge­ lenk zugeordnete Räderanordnung auf einfache Weise außer Eingriff gebracht werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Roboter vorgeschlagen, der die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale umfaßt. Dadurch, daß jeder angetrieben Achse ein Antriebsriemen zugeordnet ist, der in einer geschlossenen Schleife um mindestens zwei Antriebswellen geführt ist, und jeder Antriebsriemen mit seiner Außenseite mit einem der koaxial in übereinan­ derliegenden Ebenen angeordneten Antriebsräder der zweiten Räderanordnung in Eingriff tritt, ist eine leichte Mon­ tage/Demontage des Handgelenks möglich, da dessen Antriebs­ räder lediglich an die geschlossene Schleife der Antriebs­ riemen angepreßt werden müssen. Der Antriebsriemen kann beim Ein- und Ausbau des Handgelenks unverändert an der ersten Räderanordnung verbleiben, so daß dies bezüglich keinerlei Montagearbeiten anfallen.

Bevorzugt wird eine Ausführungsform des Roboters, die sich dadurch auszeichnet, daß das auch als Ma­ nipulator bezeichnete Handgelenk drei auch als Be­ wegungsachsen bezeichnete angetriebene Achsen und drei übereinanderliegende Antriebsräder aufweist, denen drei Antriebsriemen/-schlaufen zugeordnet sind. Es ist also möglich, ein dreiachsiges Handge­ lenk auf einfache Weise anzutreiben und damit einen einfachen Aufbau eines entsprechenden Roboters zu realisieren.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den übri­ gen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 einen Ausschnitt eines Robo­ ters, nämlich ein Handgelenk im demontierten und montierten Zu­ stand zusammen mit einem Kopp­ lungsgetriebe;

Fig. 3, 4 und 5 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil eines Robo­ ters, nämlich durch ein kom­ plettes Kopplungsgetriebe in drei verschiedenen Ebenen;

Fig. 6 und 7 einen schematischen Querschnitt durch ein Kopplungsgetriebe ei­ nes Roboters in zwei verschie­ denen Ebenen.

Roboter der hier angesprochenen Art können beliebig eingesetzt und mit den unterschiedlichsten Handge­ lenken gekoppelt werden. Relevant sind im folgenden nur derartige Handgelenke, die über den Roboter an­ getrieben werden und in mindestens einer Achse eine Drehbewegung durchführen. Rein beispielhaft wird im folgenden ein dreiachsiges Handgelenk beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Roboters 1, der ein Handgelenk 3 umfaßt, außerdem ein Kopp­ lungsgetriebe 5, über welches Antriebskräfte von dem Roboter 1 auf das Handgelenk 3 übertragen wer­ den. Das Kopplungsgetriebe 5 umfaßt eine erste, dem Roboter 1 zugeordnete Räderanordnung 6 und eine zweite, dem Handgelenk 3 zugeordnete beziehungs­ weise auf diesem angeordnete Räderanordnung. Die erste Räderanordnung 6 weist eine Anzahl von An­ triebsriemen 7, 9 und 11 auf, die hier mit drei An­ triebsrädern 13, 15 und 17 der zweiten Räderanord­ nung 8, das heißt also dem Handgelenk 3, zusammen­ wirken können. Die Antriebsräder 13, 15 und 17 der zweiten Räderanordnung 8 dienen dazu, das Handge­ lenk um eine Achse 19 rotieren zu lassen, außerdem ein Teilelement 21 des Handgelenks 3 um eine Achse 23 rotieren zu lassen und schließlich um ein hier als Greifer ausgebildetes zweites Teilelement 25 um eine Achse 27 in Drehbewegung zu versetzen. Die An­ zahl der Antriebsräder 13 bis 17 hängt also davon ab, um wieviel Achsen das Handgelenk 3 beziehungs­ weise dessen Teile drehbar sind.

Fig. 1 zeigt das Handgelenk 3 in demontierter Lage, das heißt, die Antriebsräder 13, 15 und 17 werden von den Antriebsriemen 7, 9 und 11 nicht be­ rührt, so daß Antriebskräfte nicht übertragbar sind.

Die in Fig. 1 wiedergegebene Ausführungsform des Roboters 1 weist drei Antriebswellen 29, 31 und 33 auf, an deren Enden Rollen angebracht sind, über die die Antriebsriemen 7, 9 und 11 herumgeführt sind. Die Antriebsriemen 7, 9 und 11 bilden ge­ schlossene Schlaufen, in deren Inneren die An­ triebswellen 29, 31, 33 und die auf diesen aufge­ setzten Rollen liegen. Die Antriebswellen 29 bis 31 und die Rollen sowie die Antriebsriemen 7 bis 11 sind hier ein Teil der ersten Räderanordnung 6.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind an den Enden aller drei Antriebswellen 29 bis 33 jeweils drei Rollen angebracht und so angeordnet, daß sie in drei übereinanderliegenden, parallel zu­ einander angeordneten Ebenen E1, E2 und E3 liegen. Jeweils in einer Ebene ist eine der Rollen starr mit einer Antriebswelle verbunden, während die an­ deren frei drehbar sind. Die starr mit der An­ triebswelle verbundene Rolle wird als Abtriebsrad bezeichnet, die anderen, frei umlaufenden Rollen als Umlenkrollen.

Fig. 2 zeigt das Kopplungsgetriebe 5 im montierten Zustand, in dem die Antriebsräder 13, 15 und 17 der dem Handgelenk 3 zugeordneten zweiten Räderanord­ nung 8 des Kopplungsgetriebes 5 gegen den freien Zug der Antriebsriemen 7, 9 und 11, der zwischen den Antriebswellen 29 und 33 gelegen ist, ange­ drückt werden. Über die Antriebswellen in die An­ triebsriemen eingeleitete Antriebskräfte können durch Reibschluß zwischen den Antriebsriemen und den Antriebsrädern 13, 15 und 17 des Handgelenks 3 übertragen werden. Um eine optimale Kraftübertra­ gung zu gewährleisten, sind die Antriebsriemen vor­ zugsweise als Zahnriemen und zumindest die an den Antriebswellen vorgesehenen Abtriebsräder und die Antriebsräder 13, 15 und 17 des Handgelenks 3 als Zahnräder ausgebildet. Es ist überdies möglich, auch die Umlenkrollen, die frei drehbar auf den An­ triebswellen angeordnet sind, als Zahnräder auszu­ bilden. Der Zahnriemen ist auf seinen beiden Seiten mit Zähnen versehen. Durch die auf der innenliegen­ den Seite vorgesehenen Zähne werden die von den Ab­ triebsrädern der Antriebswellen aufgebrachten An­ triebskräfte optimal übertragen und in den An­ triebsriemen eingeleitet. Durch die auf der Außen­ seite der Antriebsriemen vorgesehenen Zähne werden die Antriebskräfte optimal, das heißt schlupffrei, auf die Antriebsräder 13, 15 und 17 des Handgelenks 3 übertragen. Denkbar ist es auch, daß durch die schlupffreie Kopplung zwischen den Antriebswellen und dem Handgelenk 3 dieses wiederholungsgenau in definierte Stellungen gebracht werden kann.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß das Handgelenk 3 gegen den freien Zug der Antriebsriemen so ange­ drückt wird, daß diese in Richtung zur mittleren Antriebswelle 31 ausgelenkt beziehungsweise durch­ gebogen werden und damit die Antriebsräder 13, 15 und 17 in einem Umfangsbereich berühren. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß größere Antriebsmo­ mente übertragen werden können. Für den Fall, daß lediglich kleine Kräfte übertragen werden sollen, kann auch eine kurze Schlaufe der Antriebsriemen gebildet werden, wobei jeweils nur zwei der drei Antriebswellen umspannt werden.

Die Antriebswellen sind hier an den Ecken eines ge­ dachten, gleichschenkligen Dreiecks angeordnet, wo­ bei der freie Zug der Antriebsriemen 7, 9 und 11 entlang der gedachten Hypotenuse dieses Dreiecks verläuft. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der freie Zug ausreichend durchgedrückt und ausge­ lenkt werden kann, ohne daß die Innenseite der An­ triebsriemen die auf der mittleren Antriebswelle 31 vorhandenen Rollen berührt.

Das Kopplungsgetriebe 5 umfaßt ein Gehäuse, das aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit in den Fig. 1 und 2 nicht wiedergegeben wurde. Aus den im folgenden beschriebenen Fig. 3 bis 5, in denen ein Querschnitt durch das Kopplungsgetriebe im Be­ reich der Ebenen E1, E2 und E3 wiedergegeben ist, ist das Gehäuse angedeutet.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch das Kopp­ lungsgetriebe 5 im Bereich der Ebene E1. Das Ge­ triebe und das Handgelenk 3 sind hier in der auch aus Fig. 2 ersichtlichen, montierten Position wie­ dergegeben, in der das hier in Draufsicht darge­ stellte Antriebsrad 13 den Antriebsriemen 7, bezie­ hungsweise dessen freien Zug zwischen der Antriebs­ welle 29 und der Antriebswelle 33, auslenkt, so daß der Antriebsriemen 7 das Antriebsrad 13 im Bereich einer Umfangslinie berührt. Aus der Draufsicht auf die in der Ebene E1 liegende Schleife des Antriebs­ riemens 7 ist erkennbar, daß er alle drei Antriebs­ wellen 29, 31 und 33 umspannt. Deutlich wird auch, daß alle drei auf den Antriebswellen sitzenden Rol­ len innerhalb der Schleife liegen. In Fig. 3 ist angedeutet, daß die Rolle auf der Antriebswelle 33 starr mit dieser gekoppelt ist und damit ein Ab­ triebsrad 35 bildet. Die auf den Antriebswellen 29 und 31 vorgesehenen, in der Ebene E1 liegenden Rol­ len sind freilaufende Umlenkrollen 37 und 39. Durch diese Ausgestaltung wird der Zahnriemen 7 durch von der Antriebswelle 33 aufgebrachte Antriebskräfte in Umlauf versetzt, wobei die Bewegung des Antriebs­ riemens 7 unabhängig von Drehbewegungen der An­ triebswellen 29 und 31 erfolgen kann und die von der Antriebswelle 33 aufgebrachten Antriebskräfte auf das Antriebsrad 13 übertragen werden können.

In Fig. 3 ist angedeutet, daß das Kopplungsge­ triebe 5 ein Gehäuse 41 umfaßt, das hier zwei Ge­ häuseteile 43 und 45 aufweist, von denen das erste Gehäuseteil 43 zumindest die unteren Enden der An­ triebswellen 29, 31 und 33 mit den dort in den Ebe­ nen E1, E2 und E3 liegenden Rollen aufnimmt, also Teile der ersten Räderanordnung 6. Das zweite Ge­ häuseteil 45 nimmt Teile der zweiten Räderanordnung 8 beziehungsweise des Handgelenks 3, nämlich dessen Antriebsräder 13, 15 und 17 auf. Beispielhaft ist hier die Trennfuge 47 zwischen den Gehäuseteilen 43 und 45 so gelegt, daß sie im Bereich der Achse 19 liegt, die auch die Drehachse der Antriebsräder 13, 15 und 17 bildet. Wesentlich ist, daß die beiden Gehäuseteile 43 und 45 so ausgebildet sind, daß bei einer Trennung dieser Teile das Handgelenk 3 vom zweiten Gehäuseteil 45 gehalten wird, während die Antriebsriemen 7, 9 und 11 im ersten Gehäuseteil 43 verbleiben. Bei einer Demontage der beiden Gehäuse­ teile werden die Antriebsräder 13, 15 und 17 von den Antriebsriemen 7, 9 und 11 abgehoben, so daß bei einer Entfernung des Handgelenks 3 die Zahnrie­ men in ihrer montierten Stellung in den Ebenen E1, E2 und E3 verbleiben können. Durch die Teilung des Kopplungsgetriebes 5 in zumindest zwei miteinander in Wirkverbindung tretenden Räderanordnungen 6, 8, von denen hier die zweite Räderanordnung 8 am Hand­ gelenk 3 angeordnet ist, ist eine schnelle und ein­ fache Separierbarkeit des Handgelenks 3 vom Roboter gegeben.

Die beiden Gehäuseteile 43 und 45 sind durch einen Flansch 49 verbunden, der so ausgebildet ist, daß der Abstand zwischen den Gehäuseteilen 43 und 45, damit also die Breite der Trennfuge 47, eingestellt werden kann. Damit werden die Antriebsräder 13, 15 und 17 mehr oder weniger weit in den freien Zug der Antriebsriemen 7, 9 und 11 zwischen den Antriebs­ wellen 29 und 33 eingedrückt und damit eine opti­ male Spannung der Antriebsriemen 7, 9 und 11 einge­ stellt.

Der Verbindungsbereich zwischen den beiden Gehäuse­ teilen 43 und 45 kann auch so ausgestaltet sein, daß die Trennfuge 47 auch bei sich änderndem Ab­ stand zwischen den Gehäuseteilen stets abgedeckt ist, so daß das Gehäuse 41 auch bei Realisierung verschiedener Spannungen der Antriebsriemen 7, 9 und 11 gegen äußere Einflüsse abgeschlossen ist. Dabei kann der Flansch 49 so ausgebildet sein, daß auch bei geschlossenem Gehäuse 41 der Abstand zwi­ schen den Gehäuseteilen 43 und 45 variiert werden kann, um die Spannung der Antriebsriemen optimal einstellen zu können.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch das Kopplungsge­ triebe 5 im Bereich der Ebene E2. Teile die mit denen in Fig. 3 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, so daß auf die Beschreibung zu Fig. 3 verwiesen werden kann.

Fig. 4 unterscheidet sich gegenüber der Darstel­ lung in Fig. 3 lediglich dadurch, daß in der Ebene E2 die auf den Antriebswellen 31 und 33 vorgese­ henen Rollen als Umlenkrollen 51 und 53 ausgebildet sind, während die mit der Antriebswelle 29 starr verbundene Rolle als Abtriebsrad 55 dient. Der An­ triebsriemen 9 wird also über die Antriebswelle 29 und das Abtriebsrad 55 mit Antriebskräften beauf­ schlagt und läuft frei über die Umlenkrollen 51 und 53, unabhängig davon, ob sich die Antriebswellen 31 und 33 drehen oder nicht.

Der Antriebsriemen 9 treibt hier das in Draufsicht dargestellte Antriebsrad 15 des Handgelenks 3 an.

In Fig. 5 ist schließlich ein Querschnitt durch das Kopplungsgetriebe 5 in der Höhe E3 dargestellt, in der der Antriebsriemen 11 um drei Rollen um­ läuft, von denen eine starr mit der Antriebswelle 31 verbunden und als Abtriebsrad 57 ausgebildet ist. Der Antriebsriemen 11 läuft frei um die auf den Antriebswellen 29 und 33 aufgebrachten Um­ lenkrollen 59 und 61 um, so daß ein von der An­ triebswelle 31 aufgebrachtes Drehmoment auf das An­ triebsrad 17 des Handgelenks 3 übertragen wird.

Bezüglich des Gehäuses 41 und dessen Ausgestaltung wird auf die Beschreibung zu Fig. 3 verwiesen.

Aus den Erläuterungen zu den Fig. 1 bis 5 ist ohne weiteres ersichtlich, daß das Handgelenk 3 sehr leicht von dem Roboter 1 entfernt werden kann, insbesondere wird deutlich, daß bei einer Demontage die Antriebsriemen 7, 9 und 11 nicht gelöst zu wer­ den brauchen. Durch eine Relativbewegung der Gehäu­ seteile 43 und 45 des Gehäuses 41 kann sicherge­ stellt werden, daß die Antriebsriemen 7, 9 und 11 stets optimal gespannt sind, so daß von den An­ triebswellen 29, 31 und 33 aufgebrachte Drehmomente vorzugsweise schlupffrei auf die Antriebsräder 13, 15 und 17 des Handgelenks 3 übertragen werden. Wenn die Antriebsriemen als Zahnriemen ausgebildet sind, ist eine wiederholungsgenaue Positionierung des Handgelenks 3 beziehungsweise seiner Teilelemente 21 und 25 ohne weiteres möglich.

Weiterhin ist ersichtlich, daß es in Abhängigkeit der konstruktiven Ausgestaltung des Roboters und/oder der Anzahl der angetriebenen Achsen des Handgelenks möglich ist, daß die starr mit der je­ weiligen Antriebswelle verbundene und dem Übertra­ gen der Antriebskräfte dienende Umlenkrolle jedem Antriebsriemen zugeordnet werden kann. Es ist also frei wählbar, welche Antriebswelle die Antriebs­ kräfte auf den Antriebsriemen 7 beziehungsweise die Antriebsriemen 9 und 11 überträgt. So ist es denk­ bar, daß die Antriebskräfte auf den Antriebsriemen 7 von der Antriebswelle 31 (E1), die auf den An­ triebsriemen 9 von der Antriebswelle 29 (E2) und die auf den Antriebsriemen 11 von der Antriebswelle 33 (E3) aufgebracht werden. Demgemäß werden die starr mit den Antriebswellen verbundenen Umlenkrol­ len der jeweiligen Ebene E1, E2 oder E3 zugeordnet.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Querschnitte durch ein Kopplungsgetriebe 5′ im Bereich der Ebenen E1 und E2 eines in zwei Achsen drehbeweglichen Handgelenks 3′. Das Kopplungsgetriebe 5′ unterscheidet sich von dem in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Kopp­ lungsgetriebe 5 dadurch, daß die erste Räderanord­ nung 6 lediglich die Antriebswelle 29 und 33 und die zweite Räderanordnung 8 die Antriebsräder 13 und 15 aufweist. Teile die mit denen in den Fig. 3 bis 5 übereinstimmen, sind mit gleichen Be­ zugszeichen versehen, so daß auf die Beschreibung zu den Fig. 3 bis 5 verwiesen werden kann.

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die in der Ebene E2 liegende Schlaufe des Antriebsriemens 9. Die An­ triebswellen 29 und 33 der ersten Räderanordnung 6 des Kopplungsgetriebes 5′ sind so innerhalb der Schlaufe angeordnet, daß der Antriebsriemen 9 das Antriebsrad 15 im Bereich einer Umfangslinie be­ rührt. Die Antriebskräfte werden hier von dem Ab­ triebsrad 55 auf den Antriebsriemen 9 übertragen. Die auf der Antriebswelle 33 angeordnete Um­ lenkrolle 53 dient lediglich der Führung des An­ triebsriemens 9.

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf das Kopplungsge­ triebe 5′ im Bereich der Ebene E1. In der Ebene E1 ist das Abtriebsrad 35 auf der Antriebswelle 33 und die Umlenkrolle 39 auf der Antriebswelle 29 ange­ ordnet. Die von dem Abtriebsrad 35 auf den An­ triebsriemen 7 übertragenen Antriebskräfte werden im Bereich des freien Zuges zwischen den Antriebs­ wellen 29 und 33 auf das Antriebsrad 13 des Handge­ lenks 3′ übertragen.

In jeder der Ebenen werden jeweils die Antriebs­ kräfte für eine Bewegungsachse des Handgelenks von der ersten Räderanordnung an die zweite Räderanord­ nung übertragen. Das Kopplungsgetriebe eines ein­ achsigen Handgelenks weist demgemäß lediglich einen Antriebsriemen auf. Die Anzahl der angetriebenen Achsen beziehungsweise Bewegungsachsen des Handge­ lenks bestimmt also die Anzahl der Ebenen des Kopplungsgetriebes.

Claims (7)

1. Roboter mit einem mehrachsigen Handgelenk (3), mit einem Kopplungsgetriebe (5) zur Übertragung der Antriebskräfte von den Antriebswellen (29, 31, 33) auf den jeweiligen angetriebenen Achsen (19, 23, 27) des Handgelenks (3) zugeordnete Antriebsräder (13, 15, 17), bei dem
die Antriebswellen (29, 31, 33) jeweils mit einem Abtriebsrad (35, 55, 57) und mit mindestens einer Umlenkrolle versehen sind und eine erste Räderanor­ dnung (6) bilden,
die Antriebsräder (13, 15, 17) für die angetriebe­ nen Achsen (19, 23, 27) koaxial in übereinanderlie­ genden Ebenen (E1, E2, E3) angeordnet sind und eine zweite Räderanordnung (8) bilden,
jeder angetriebenen Achse (19, 23, 27) ein An­ triebsriemen (7, 9, 11) zugeordnet ist, der in ei­ ner geschlossenen Schleife um mindestens zwei An­ triebswellen (29, 31, 33) geführt ist,
innerhalb jeder Schleife ein Abtriebsrad (35, 55, 57) und mindestens eine Umlenkrolle angeordnet sind, und
jeder Antriebsriemen (7, 9, 11) mit seiner Außen­ seite mit einem der Antriebsräder (13, 15, 17) der zweiten Räderanordnung (8) in Eingriff tritt.

2. Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Handgelenk (3) drei angetriebene Ach­ sen (19, 23, 27) aufweist.

3. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaufen um alle drei Antriebswellen (29, 31, 33) geführt und jeweils zwei Umlenkrollen pro Schlaufe vorgesehen sind.

4. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der Antriebswellen (29, 31, 33) ein Abtriebsrad und zwei Umlenkrollen übereinanderliegend angeordnet sind.

5. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsge­ triebe (5) ein Gehäuse (41) mit mindestens zwei Ge­ häuseteilen (43, 45) umfaßt, wobei dem ersten Ge­ häuseteil (43) die Antriebsriemen (7, 9, 11) und dem zweiten Gehäuseteil (45) das Handgelenk (3) zu­ geordnet ist.

6. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (43, 45) zueinander beweglich ausgestaltet sind, um die Spannung der Antriebsriemen (7, 9, 11) im montierten Zustand einstellen zu können.

7. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Antriebsriemen, vorzugsweise alle Antriebsrie­ men (7, 9, 11) als Zahnriemen und daß die Antriebs­ räder (13, 15, 17) des Handgelenks (3) und die Ab­ triebsräder (35, 55, 75) der Antriebswellen (29, 31, 33) als Zahnräder ausgebildet sind.