DE19710171C2 - Manipulator mit Parallelstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Manipulator mit Parallelstruktur und angetriebenen Führungselementen zum gemeinsamen (parallelen) Führen einer Arbeitsplattform in einem durch die X-, Y- und Z- Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems definierten Raum.

Manipulatoren mit Parallelstruktur (Parallelroboter) bauen auf geschlossenen kinematischen Ketten auf. Mehrere Gelenkarme oder Führungsketten bewegen gemeinsam (parallel) eine Arbeitsplatt­ form gegenüber einer ruhenden Gestellplattform. Dabei ist im allgemeinen jeder Führungskette ein Antrieb als Dreh- oder Schubantrieb zugeordnet.

Zu den bekanntesten, auch auf internationalen Tagungen vorge­ stellten Prototypen gehört der DELTA-Roboter von Clavel (Clavel, R.: DELTA, a Fast Robot with Parallel Geometry. Proc. 18^th ISIR, 1988, S. 91-100). Der DELTA-Roboter hat drei Bewegungsfreiheiten und kann somit einen Punkt seiner Arbeitsplattform innerhalb des nutzbaren Arbeitsraums in einem räumlichen X-Y-Z-Koordinatensy­ stem positionieren. Die Orientierung der Arbeitsplattform bleibt dabei unveränderlich parallel zur Gestellplattform. Hierfür sorgen drei von drei Drehantrieben bewegte Führungsketten, die - abgesehen von einem Antriebs­ arm - drei räumliche Parallelkurbelgetriebe darstellen.

Aus der Fachliteratur bekanntgeworden ist ferner der HEXA-Roboter von PIERROT (Pierrot, F;: Uchiyama, M.; Dauchez, P.; Fournier, A.: A New Design of a 6-DOF Parallel Robot. JI. of Robotics and Mechatronics 2 (1990) 4, S. 308- 315). Der HEXA-Roboter hat sechs Bewegungsfreiheiten und kann seine Arbeits­ plattform innerhalb des nutzbaren Arbeitsraums sowohl positionieren als auch orientieren hinsichtlich der Winkelstellungen um die X-, Y- und Z-Achse. In einer symmetrischen Ausführung besitzt der Roboter sechs gleichartige, von sechs Drehantrieben bewegte Führungsketten zwischen Gestellplattform und Arbeits­ plattform.

Einen zusammenfassenden Überblick über Parallelroboter geben zwei Ausgaben der Zeitschrift "Journal of Robotic Systems" (New York (NY), USA: John Wiley & Sons, Inc., 10, 1993, 5; 12, 1995, 12).

Die US-PS 5,378,282 offenbart einen Manipulator mit räumlicher Punktführung, also nicht einen Manipulator mit einer räumlichen ebenen Führung, so dass inso­ weit Gattungsungleichheit besteht. Im Übrigen weist dieser Manipulator nur drei Antriebe auf und vermag daher nur drei Bewegungsfreiheiten zu erfüllen.

Der GB 1 372 431 läßt sich ein Manipulator mit fünf Freiheiten/Antrieben ent­ nehmen. Dieses Gerät ordnet ein Objekt mit drei Weg- und nur zwei Winkelkoor­ dinaten im Raum an. Eine Verschiebung in z-Richtung soll und kann ausdrücklich nur als kleine, über einen Exzenter gesteuerte Korrekturbewegung auf einem Kreissegment realisiert werden. Es handelt sich nicht um einen Manipulator mit Parallelstruktur, so dass auch hier Gattungsungleichheit besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Manipulator der ein­ gangs beschriebenen Bauart zu entwickeln, der ein hochgenaues Handhaben und Führen (Positionieren und Orientieren) im Raum ermöglicht und insbesondere auch als Parallel-Miniroboter besonders für das Handhaben kleiner und kleinster Objekte geeignet ist.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Manipulator wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

• a) drei gestellfeste Schwenkachsen, wobei die Erste, Zweite und Dritte parallel zueinander und mit Abstand voneinander angeordnet sind;
• b) jeder Schwenkachse ist eine um diese Schwenkachse schwenkbare An­ triebsebene zugeordnet;
• c) jede dieser drei Antriebsebenen weist einen von einem ersten und einem zweiten Linearantrieb beaufschlagten Führungsstab auf, der mit seinem ei­ nen Ende über ein Kugelgelenk an der Arbeitsplattform angreift;
• d) die beiden Linearantriebe jeder Antriebsebene beaufschlagen jeweils ein aktives, auf der dieser Antriebsebene zugeordneten Schwenkachse ver­ schiebbares Schubglied mit zwei nachgeordneten Drehgelenken mit jeweils zwei senkrecht aufeinanderstehenden Drehachsen;
• e) das erste dieser beiden Schubglieder greift an dem von dem genannten Kugelgelenk abgewandten Ende des zugeordneten Führungsstabes an, während das zweite Schubglied über einen Stützstab an einem Drehgelenk des Führungsstabes angreift;
• f) das Drehgelenk jeder Antriebsebene ist auf der halben Führungsstablänge positioniert, die der Länge des Stützstabes entspricht;
• g) der Abstand zwischen der zweiten und dritten Schwenkachse entspricht dem Abstand zwischen den beiden Kugelgelenken der beiden an der Ar­ beitsplattform angreifenden, diesen beiden Schwenkachsen zugeordneten Führungsstäbe.

Während bei allen bisher bekanntgewordenen Parallelrobotern für das Abfahren einer Geraden oder einer Bahnkurve in einer Ebene alle sechs Antriebe bewegt werden müssen, können erfindungsgemäß für Bahnkurven, die Punkte der Ar­ beitsplattform in den drei bevorzugten kartesischen X-Y-, X-Z- und Y-Z-Ebenen beschreiben sollen, die Antriebe entkoppelt werden, d. h. es müssen nicht alle sechs Antriebe bewegt werden. So lassen sich z. B. allgemeine ebene Bewegun­ gen parallel zur X-Y-Ebene erzeugen, wenn die zweiten Schubglieder die gleiche konstante Z-Koordinate besitzen.

Die nicht angetriebenen (passiven) Gelenke sind Dreh-, Kardan- oder Kreuzgelenke und Kugelgelenke, die durch vollkommen spiel­ freie äquivalente Festkörpergelenke ersetzt werden können. Die Anzahl der Führungsstäbe ist zumindest drei. Jeder Führungsstab sowie jeder Stützstab sind gleichartig aufgebaut und lassen sich einfach und somit kostengünstig und in Leichtbauweise fertigen. Die Zugänglichkeit der Arbeitsplattform ist von fünf Seiten im Raum gegeben, nämlich von oben/unten, rechts/links und von vorn. Letzteres ist wichtig für das Zuführen von Material.

Abgesehen von der vorstehend beschriebenen Entkoppelung der An­ triebe ist es grundsätzlich möglich, mit den sechs Linearantrie­ ben innerhalb des nutzbaren Arbeitsraums eine beliebige Position und Orientierung der Arbeitsplattform zu erreichen. Diese sechs Linearantriebe ermöglichen maximal sechs Bewegungen der Arbeits­ plattform im Raum, nämlich drei Schiebungen und drei Drehungen bezüglich der X-, Y- und Z-Achse eines rechtwinkligen Koordina­ tensystems (Freiheitsgrad F = 6). Optional lassen sich - wie vor­ stehend erläutert wurde - die Antriebe für eine Klasse von Bahn­ kurven von Punkten der Arbeitsplattform entkoppeln (Freiheits­ grad F < 6).

Die dreifach geführte Arbeitsplattform eignet sich insbesondere zum Handhaben kleiner und kleinster Objekte.

Die Positionierung der ersten Schwenkachse gegenüber den anderen beiden Schwenkachsen ist grundsätzlich veränderbar.

Um eine hohe Dynamik zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, wenn die Führung der Arbeitsplattform gegenüber einer ruhenden oberen und unteren Plattform erfolgt, wobei die ersten Linearantriebe jeder Antriebsebene an der oberen Plattform und die zweiten Li­ nearantriebe an der unteren Plattform montiert sind.

Zur Erzielung einer hohen Struktursteifigkeit ist es vorteil­ haft, wenn die beiden Schubglieder jeder Antriebsebene auf einer gemeinsamen ortsfesten, in der zugeordneten Schwenkachse liegen­ den Führungsstange geführt sind. Hierbei ist es ferner zweckmäßig, wenn die drei Führungsstangen die obere und die untere Plattform starr miteinander verbinden und die von der Arbeits­ plattform abgewandte Rückseite des Manipulators bilden.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü­ che und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfin­ dung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung sind zwei als Beispiele dienende Ausführungs­ formen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen Parallelroboter mit drei baugleichen Antriebsebenen;

Fig. 2 in Seitenansicht und in gegenüber Fig. 1 vergrö­ ßertem Maßstab die erste der drei Antriebsebenen und

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform in einer Dar­ stellung gemäß Fig. 2.

Der in Fig. 1 dargestellte Parallelroboter weist ein Gestell auf, das sich aus einer oberen Plattform 1 und einer unteren Plattform 2 zusammensetzt, die auf ihrer Rückseite in beliebiger Weise miteinander verbunden sind. In diesem Gestell 1, 2 sind sechs Linearantriebe 3, 4, 5, 6, 7, 8 angeordnet, von denen je­ weils zwei Linearantriebe 3, 4 bzw. 5, 6 bzw. 7, 8 auf einer gestellfesten Achse A bzw. B bzw. C angeordnet sind. Letztere sind senkrecht zu den Plattformen 1, 2 ausgerichtet und liegen parallel zueinander. Die Achse A bildet somit die Bewegungsachse für die beiden Linearantriebe 3, 4, die Achse B bildet die Bewe­ gungsachse für die Linearantriebe 5, 6 und die Achse C bildet die Bewegungsachse für die Linearantriebe 7, 8. Die Linearan­ triebe 3 bis 8 können Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, Servo­ motore mit drehender Abtriebswelle und nachgeordneten Kugelge­ windespindeln, Servo-Linearmotore oder Piezo-Linearaktoren sein.

Jeder der Linearantriebe 3 bis 8 bewegt einen ihm zugeordneten Linearführungsstab 9 bis 14 auf der zugeordneten Achse A, B bzw. C.

Die drei oberen Linearführungsstäbe 9, 11, 13 sind jeweils über zwei nachgeordnete Drehgelenke 15, 16, 17 mit senkrecht aufein­ anderstehenden Drehachsen mit dem einen Ende eines Führungssta­ bes 18, 19, 20 verbunden, die mit ihrem jeweils anderen Ende über je ein Kugelgelenk 21, 22, 23 (drei Drehfreiheiten) eine Arbeitsplattform 24 tragen. Die Gelenkkombinationen 9/15, 11/16, 13/17 können als Drehschubgelenk mit einer zusätzlichen, senkrecht zur Drehschubachse angeordneten Drehachse, als reines Schubgelenk mit einem zusätzlichen Kugelgelenk oder aber - wie dargestellt - als reines Schubgelenk mit einem zusätzlichen Kreuzgelenk ausgebildet sein.

Die drei unteren Linearführungsstäbe 10, 12, 14 sind jeweils über eine den oberen Gelenkkombinationen entsprechende Gelenk­ kombination 10/25, 12/26, 14/27 über jeweils einen Stützstab 28, 29, 30 an demjenigen Führungsstab 18, 19, 20 angelenkt, der mit dem jeweils axial fluchtenden oberen Linearführungsstab 9, 11, 13 in Verbindung steht. Die Anlenkung jedes Stützstabes 28, 29, 30 an dem ihm zugeordneten Führungsstab 18, 19, 20 erfolgt über ein Drehgelenk 31, 32, 33 (mit einer Drehfreiheit), dessen Ge­ lenkachse die Längsmittellinie des zugeordneten Führungsstabes 18, 19, 20 senkrecht schneidet und zwar genau auf der halben Länge des Führungsstabes. Die Länge 1 jedes Stützstabes 28, 29, 30 entspricht der halben Länge des zugeordneten Führungsstabes 18, 19, 20, wie die Fig. 2 und 3 deutlich machen.

Der Abstand x zwischen den beiden gestellfesten Achsen B und C entspricht genau dem Abstand zwischen den beiden Kugelgelenken 22, 23, über die die beiden Führungsstäbe 19, 20 an der Arbeits­ plattform 24 angreifen. Letztere dient als Werkzeug- oder Werk­ stückhalter.

Insgesamt bildet diese Konstruktion ein räumliches Führungsgetriebe auf der Basis geschlossener kinematischer Ketten mit sechs Freiheiten. Die Konstruktion umfaßt drei baugleiche An­ triebsebenen, die jeweils ein gleichschenkliges Dreieck mit den Dreieckspunkten 15, 25, 31 bzw. 16, 26, 32 bzw. 17, 27, 33 bil­ den.

Die Linearführungsstäbe 9 bis 14, die Führungsstäbe 18, 19, 20 sowie die Stützstäbe 28, 29, 30 können jeweils aus Stangenmate­ rial mit Kreisquerschnitt bestehen. Um die Drehung der Antriebs­ ebenen 15/25/31, 16/26/32 und 17/27/33 um die ihnen zugeordneten gestellfesten Achsen A, B, C zu ermöglichen, sind die Enden der Linearführungsstäbe 9 bis 14 an diesen Anschlußstellen mit ge­ eigneten Lagerelementen versehen.

Fig. 2 zeigt die erste der drei baugleichen Antriebsebenen der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Aus getriebetechnischer Sicht handelt es sich bei dieser Antriebsebene um ein ebenes fünf­ gliedriges Getriebe mit zwei Linearantrieben in Form aktiver Schubgelenke und drei passiven Drehgelenken. Dabei sind die in Fig. 2 mit der Länge 1 gekennzeichneten Glieder in allen drei Antriebsebenen gleich lang. Die drei Dreiecke, die jeweils um eine der Achsen A, B, C verschwenken, bleiben während der Bewe­ gung des Roboters aufrechterhalten.

Fig. 3 zeigt eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Ausführungs­ form. Hier liegt in der Achse A eine zwischen der oberen Platt­ form 1 und der unteren Plattform 2 fest montierte Führungsstange 34, auf der die Schubglieder mit den Kreuzgelenken 15, 25 durch den ihnen zugeordneten Linearantrieb 3 bzw. 4 und den zwischen­ geschalteten Linearführungsstab 9 bzw. 10 verschoben werden kön­ nen. Die Linearführungsstäbe 9, 10 liegen in diesem Fall also parallel zur Achse A bzw. zu der Führungsstange 34. Die beiden anderen Antriebsebenen sind analog ausgebildet, so daß der so ausgebildete Parallelroboter in seinen Achsen A, B und C jeweils eine starre Führungsstange 34 aufweist.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen, daß alle sechs Linearantriebe 3 bis 8 in der Gestellplattform gelagert sind, also bei den Arbeitsbewegungen des Parallelroboters nicht mit­ bewegt werden. Dadurch sind eine hohe Dynamik und durch die Iso­ lierung der Antriebe vom Arbeitsraum auch eine hohe Reinraum­ tauglichkeit gewährleistet. Das Parallelprinzip führt zu einer hohen Struktursteifigkeit, die bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 3 durch die Anordnung der drei starren Führungsstangen 34 noch erhöht wird.

Die Drehgelenke 31, 32, 33 bilden die Mittelpunkte der drei gleich langen Führungsstäbe 18, 19, 20 und. befinden sich somit auch stets in der Z-Mitte der zugeordneten Gelenke 15/25, 16/26 und 17/27 auf den zueinander parallelen Achsen A, B und C. Die Führungsstäbe 19, 20 bilden Teile eines räumlichen Parallelkur­ belgetriebes, bleiben also parallel zueinander, da der Abstand x zwischen den Achsen B und C dem Abstand zwischen den Kugelgelen­ ken 22 und 23 auf der Arbeitsplattform 24 entspricht. Da auch die Stützstäbe 28, 29, 30 gleich lang und halb so lang sind wie die Führungsstäbe 18, 19, 20, können für Bahnkurven, die Punkte der Arbeitsplattform 24 in den drei bevorzugten kartesischen X- Y-, X-Z- und Y-Z-Ebenen beschreiben sollen, die Linearantriebe 3 bis 8 entkoppelt werden; es müssen also nicht alle sechs Linear­ antriebe bewegt werden. So lassen sich z. B. allgemeine ebene Bewegungen parallel zur X-Y-Ebene erzeugen, wenn die Gelenke 25, 26, 27 die gleiche konstante Z-Koordinate besitzen.

Claims (6)

1. Manipulator mit Parallelstruktur und angetriebenen Führungselementen zum gemeinsamen (parallelen) Führen einer Arbeitsplattform (24) in einem durch die X-, Y- und Z-Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems definierten Raum, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) drei gestellfeste Schwenkachsen, wobei die Erste (A), Zweite (B) und Dritte (C) parallel zueinander und mit Abstand voneinander angeordnet sind;
• b) jeder Schwenkachse (A, B, C) ist eine um diese Schwenkachse schwenkbare Antriebsebene (A/18, 28; B/19, 29; C/20, 30) zugeord­ net;
• c) jede dieser drei Antriebsebenen (A/18, 28; B/19, 29; C/20, 30) weist einen von einem ersten und einem zweiten Linearantrieb (3, 4; 5, 6; 7, 8) beaufschlagten Führungsstab (18; 19; 20) auf, der mit seinem ei­ nen Ende über ein Kugelgelenk (21; 22; 23) an der Arbeitsplattform (24) angreift;
• d) die beiden Linearantriebe (3, 4; 5, 6; 7, 8) jeder Antriebsebene (A/18, 28; B/19, 29; C/20, 30) beaufschlagen jeweils ein aktives, auf der dieser Antriebsebene zugeordneten Schwenkachse (A, B, C) ver­ schiebbares Schubglied (9, 10; 11, 12; 13,, 14) mit zwei nachgeordne­ ten Drehgelenken (15, 25; 16, 26; 17, 27) mit jeweils zwei senkrecht aufeinanderstehenden Drehachsen;
• e) das erste dieser beiden Schubglieder (15; 16; 17) greift an dem von dem genannten Kugelgelenk (21; 22; 23) abgewandten Ende des zu­ geordneten Führungsstabes (18; 19; 20) an, während das zweite Schubglied (25; 26; 27) über einen Stützstab (28; 29; 30) an einem Drehgelenk (31; 32; 33) des Führungsstabes (18; 19; 20) angreift;
• f) das Drehgelenk (31; 32; 33) jeder Antriebsebene (A/18, 28; B/19, 29; C/20, 30) ist auf der halben Führungsstablänge (l) positioniert, die der Länge (l) des Stützstabes (28, 29, 30) entspricht;
• g) der Abstand (x) zwischen der zweiten und dritten Schwenkachse (B, C) entspricht dem Abstand (x) zwischen den beiden Kugelgelenken (22, 23) der beiden an der Arbeitsplattform (24) angreifenden, diesen beiden Schwenkachsen (B, C) zugeordneten Führungsstäbe (19, 20).

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schub­ glied (9, 10; 11, 12; 13, 14) nachgeordneten Drehgelenke (15, 25; 16, 26; 17, 27) Kardan- oder Kreuzgelenke sind.

3. Manipulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreh­ achsen der Drehgelenke (31, 32, 33) der Führungsstäbe (18, 19, 20) die Längsmittellinie des zugeordneten Führungsstabes (18, 19, 20) senkrecht schneiden.

4. Manipulator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Führung der Arbeitsplattform (24) gegenüber einer ruhenden oberen und unteren Plattform (1, 2) erfolgt, wobei die ersten Linearantriebe (3, 5, 7) jeder Antriebs­ ebene (A/18, 28; B/19, 29; C/20, 30) an der oberen Platt­ form (1) und die zweiten Linearantriebe (4, 6, 8) an der unteren Plattform (2) montiert sind.

5. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden Schubglieder (15, 25; 16, 26; 17, 27) jeder Antriebsebene (A/18, 28; B/19, 29; C/20, 30) auf einer gemeinsamen ortsfesten, in der zugeord­ neten Schwenkachse (A, B, C) liegenden Führungsstange (34) geführt sind.

6. Manipulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Führungsstangen (34) die obere und die untere Plattform (1, 2) starr miteinander verbinden und die von der Arbeitsplattform (24) abgewandte Rückseite des Manipu­ lators bilden.