DE19906451A1 - Flexibles Führungsgetriebe, vorzugsweise für die Handhabungstechnik - Google Patents

Abstract

In der Handhabungstechnik wird von den Führungsgetrieben eine sehr hohe Beweglichkeit verlangt. Neben der konventionellen Bauform, bei der Gelenke mit einem Freiheitsgrad seriell aneinander gereiht werden, versucht man durch eine rüsselförmige Anordnung der Glieder eine hohe Flexibilität zu erreichen. Es werden sowohl Gelenke mit unterschiedlichen Freiheitsgraden als auch balgförmige Elemente zu offenen kinematischen Ketten zusammengesetzt. Zweck der Erfindung ist eine Anordnung von Gelenkkörpern, die mit möglichst geringen Vorspannungen der Bauelemente ein flexibles Führungsgetriebe darstellt, das sich bei einer hohen Steifigkeit durch eine rüsselähnliche Beweglichkeit auszeichnet. Dies wird dadurch erreicht, daß hohl ausgeführte Gelenkkörper unter Formschluß zu einer offenen kinematischen Kette angeordnet werden und über Zugmittel die Abtriebsbewegungen eines Antriebsaktors in eine geregelte Relativbewegung der einzelnen Gelenkkörper zueinander umgesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Führungsgetriebe entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, das vorzugsweise in der Handhabungstechnik Anwendung findet.

Die in der Handhabungstechnik verwendeten Führungsgetriebe bestehen üblicherweise aus offenen kinematischen Ketten, in denen die einzelnen Glieder mit ihren Gelenken seriell angeordnet sind. Diese sind als Rotations- oder Translationsgelenke ausgebildet und besitzen nur einen Gelenkfreiheitsgrad. Um eine entsprechend große Beweglichkeit zu erreichen, werden möglichst viele Gelenke hintereinander angeordnet. So benötigt man 6 Gelenke um einen Körper im Raum zu positionieren und zu orientieren. Es ist bekannt, daß versucht wurde, die Struktur eines Elefantenrüssels technisch nachzubilden, um so flexible Führungsgetriebe mit hohen Beweglichkeiten und geringen Gewichten zu erreichen. So wird in einem Führungsgetriebe eine rüsselförmige Struktur durch seriell angeordnete Glieder erreicht, die mit kardanischen Gelenken versehen sind. Jedes Glied ist mit 2 × 2 Gelenken ausgestattet (Holligum, J.: Puting an snake in the sub, Industrial Robot, Bd. 24 (1997) H6, S. 418-422). Die Antriebe sind in jedem Glied integriert, so daß Bewegungen analog den eines Schlangenkörpers erfolgen können. Die Vielzahl der Gelenke, die nahezu spielfrei ausgeführt werden müssen, erfordert einen erheblichen Bauraum, so daß eine Mindestgröße nicht unterschritten werden kann. Außerdem fallen infolge der notwendigen Präzision in der Fertigung sehr hohe Produktionskosten an. Eine ähnlich hohe Beweglichkeit zeichnet eine andere Entwicklung aus, bei der durch hintereinander angeordnete, balgförmige Elemente ein Rüssel nachgebildet wird und durch Beaufschlagen der einzelnen Bälge mit Druckluft C- und S-förmige Verformungen des Führungsgetriebes erreicht werden (Antonelli, K.: An extensible robotic tentacle, The Industrial Robot, Bd. 24 (1997) H6, S. 423-427). Infolge der Kompressibilität der Luft ist aber die Steifigkeit des Systems in vielen Einsatzfällen nicht ausreichend. Eine weitere, im EP 00170116 A1 vorgeschlagene Lösung ist dadurch charakterisiert, daß mehrere Gelenke mit dem Gelenkfreiheitsgrad f < 1 hintereinander angeordnet und kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Die Gelenke werden durch jeweils zwei scheibenförmige Elemente gebildet, die beidseitig konvexe Oberflächen aufweisen und in zwei Ebenen aufeinander abrollen können. Zugmittel, die an den einzelnen Gelenkelementen angreifen, stellen einerseits eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Elementen dar, andererseits übernehmen sie auch die Bewegungsübertragung von den zentral angeordneten, geregelten Servomotoren. Diese Anordnung gestattet eine hohe Beweglichkeit des letzten Gliedes, aber die zur Lagefixierung notwendige Vorspannung bedingt eine elastische Verformung aller Bauteile und führt an den Kontaktflächen zu hohen Flächenpressungen, da die Gelenkelemente sich nur punktförmig berühren. Dies bedingt, daß hochwertige und damit teure Materialien eingesetzt werden müssen, um akzeptable Handhabungsmassen zu erreichen.

In der OS DE 32 10 466 A1 wird eine Lösung vorgeschlagen, bei der seriell angeordnete Kugelgelenke durch Magnete bewegt werden sollen, die radial zum Gelenkpfannenmittelpunkt angeordnet sind. Hierbei handelt es sich um eine reine Formpaarung mit dem Gelenkfreiheitsgrad 3. Diese ist immer spielbehaftet und beeinflußt infolgedessen die Positioniergenauigkeit sehr nachteilig. Außerdem bewirkt das Eigengewicht der Magneten, daß die elastische Verformung der Vorrichtung nur durch aufwendige Steuerungsmaßnahmen in den zulässigen Grenzen gehalten werden kann.

Eine ähnliche serielle Anordnung der Antriebselemente sieht die OS DE 37 12 067 vor. Linearmotoren wirken auf tetraederförmige Elemente, die durch Kreuzgelenke miteinander verbunden sind. Auch diese Anmeldung vermeidet die beschriebenen Nachteile nicht.

Die Anmeldung EP 01 04 589 A1 hat einen Vielgelenk-Manipulator zum Inhalt, der eine dreidimensionale Bewegung ermöglicht. Erreicht werden soll dies durch hintereinander angeordnete Glieder, die durch um jeweils 90 Grad versetzte Gelenke verbunden sind. Da diese Gelenke nur einen Freiheitsgrad von 1 aufweisen, ist eine erhebliche Anzahl von Gliedern und Gelenken erforderlich, um einen praktikablen Bewegungsraum zu erreichen. Die Bewegung der einzelnen Glieder erfolgt durch Zugmittel, deren Antriebe das Gestellglied aufnimmt. Diese Zugmittel müssen wegen der versetzten Gelenke ständig umgelenkt werden. Dies führt zu erheblichem Verschleiß und zu großen Reibungsverlusten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Führungsgetriebe zu schaffen, daß bei geringerer Flächenpressung an den Kontaktstellen in mehreren Ebenen beweglich ist, eine hohe Steifigkeit aufweist und deren Antriebe so angeordnet werden können, daß ihr Gewicht die einzelnen Glieder nicht mehr belastet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst.

Die Erfindung weist folgende Vorteile auf

• 1. Die Anordnung aller Antriebe am Fuß verringert die Gesamtmasse der einzelnen Glieder des Führungsgetriebes, so daß diese in Leichtbauweise ausgeführt werden können.
• 2. Durch den Formschluß der einzelnen Gelenkelemente erfolgt eine Lagefixierung, so daß Kontaktspannungen infolge von hohen Vorspannungen vermieden werden und Werkstoffe mit geringerer zulässiger Pressung, z. B. Kunststoffe, eingesetzt werden können. Dies führt ebenfalls zur Gewichtseinsparung am Gesamtsystem.
• 3. Der Einsatz von Gelenken mit einem Freiheitsgrad < 1 gewährleistet bei geringem Raumbedarf eine gute Beweglichkeit in mehreren Ebenen.
• 4. Die Anordnung der Gelenke ermöglicht es, flexible Versorgungs- und Informationsleitungen geschützt von äußeren Einflüssen bis zum Werkzeugmittelpunkt (TCP) zu führen.
• 5. Die Zahl der Gelenke läßt sich der jeweils geforderten Bewegungsaufgabe anpassen, so daß die Zahl der benötigten Elemente auf ein Mindestmaß beschränkt werden kann und dadurch die Wirtschaftlichkeit verbessert wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfinderischen Einrichtung ist in Fig. 1 dargestellt, die in Analogie zu einem Rüssel einem flexiblen Führungsgetriebe entspricht, an dessen Endglied (8) als Effektor ein Greifer vorgesehen ist. Ein Grundkörper 1 nimmt ein konkav ausgebildete Gegenstück 3 für die nachfolgend seriell angeordnete Gelenkkörper auf. Die Gelenke selbst sind als Doppeldrehgelenke mit einem Gelenkfreiheitsgrad von f = 2 ausgebildet und werden durch Formschluß fixiert. Der Gelenkkörper besteht aus jeweils zwei, starr miteinander verbundenen Elementen. Auf einer Seite befindet sich ein rotationssymmetrisch ausgebildetes konvexes Gleitstück 4 in dessen Bohrung ein Steg 7 eingelassen ist. Das anderen Ende des Gelenkkörpers ist so ausgearbeitet, daß eine konkave, ebenfalls rotationssymmetrische Aufnahmehülse 5 entsteht, in die dann das konvexe Gleitstück des folgenden Gelenkkörpers eingreift. Bei einer aufeinanderfolgenden Anordnung mehrerer Körper entsteht dann eine offene kinematische Kette. Die Bewegung in den einzelnen Gelenke erfolgt durch Zugmittel 6, die an dem Steg 7 angreifen und das Gleitstück 4 verdrehen. Wirken auf den Steg 7 Zugmittel ein, so bewegt sich das Gleitstück 4 und damit alle nachfolgend angeordneten Elemente. Der Steg 7 ist gleichzeitig das Führungsstück für die Zugmittel der anderen Gelenkelemente sowie für die flexibel ausgeführten Versorgungs- oder Informationsleitungen, die bis zum Effektor geführt werden können. Das letzte Gleitstück in der Kette nimmt dann den Effektor 8 auf. Die Antriebe 2 sind als Servoantriebe ausgeführt und setzen die Steuerinformationen der Ansteuerung 9 in Linearbewegungen der Zugmittel 6 in bekannter Weise um. Da alle Gelenke einen Gelenkfreiheitsgrad von f = 2 haben, ist eine Bewegung des Effektors 8 in 2 Ebenen möglich. Er kann somit positioniert als auch orientiert werden. Da für jedes Zugmittel nur ein Antrieb vorgesehen ist, kann die Informationen über die Position eines Gelenkes direkt am Antrieb bereitgestellt und in der Steuerung 9 verarbeitet werden können. Als Steuerung 9 sind konventionelle Robotersteuerungen verwendbar, die nur softwareseitig in der Weise modifiziert werden müssen, daß die kartesischen Koordinaten des TCP im Weltsystem in Weginformationen für die einzelnen Zugmittel transformiert werden müssen. Das gleiche gilt auch für die Geschwindigkeiten. Auf entsprechende Algorithmen kann zurückgegriffen werden.

Claims (5)

1. Flexibles Führungsgetriebe, vorzugsweise für die Handhabungstechnik, bestehend aus einem Grundkörper, der die in Form einer offenen kinematischen Kette seriell angeordneten Gelenkkörper aufnimmt, die über Zugmittel mit einem Antrieb in Wirkverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die kinematische Kette zur Durchführung von Versorgungs- und Informationsleitungen aus hohl ausgeführten, formschlüssig durch Gelenke mit einem höheren Freiheitsgrad verbundenen Gliedern besteht, die Anlenkpunkte und Führungselemente für die Zugmittel besitzen und durch im Gestell angeordnete Antriebseinrichtungen gesteuert bewegt werden können, wobei am letzten Glied der Kette ein Effektor angeordnet ist.

2. Flexibles Führungsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugmittel durch Servomotoren angetrieben werden.

3. Flexibles Führungsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugmittel mittels fluidischer Baugruppen angetrieben werden.

4. Flexibles Führungsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb piezoelektrische und/oder magnetostriktive Aktoren eingesetzt sind.

5. Flexibles Führungsgetriebe nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß auch Gelenke mit einem Gelenkfreiheitsgrad 1 in der kinematischen Kette Verwendung finden.