DE2048563B2 - Teleoperator - Google Patents

Description

über die Horizontale hinaus gestattet, dieser Ausweg zwingt jedoch zur Verwendung eines Steuerarms, der kürzer ist als der Arbeitsann, was einen erheblichen Nachteil darstellt, und darüber hinaus ist dieser Ausweg auch nur ein Notbehelf, da er eine Überschreitung der Horizontalen um mehr als 30° in der Praxis nicht zuläßt Außerdem stellt ein Kreuzkopf ein sperriges und aufwendiges Bauteil dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Teleoperstor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der sich durch eine wesentlich größere Beweglichkeit seiner Arme und eine Vergrößerung seines Arbeitsbereichs, insbesondere im beweglichen Schwenkwinkel auszeichnet und dabei sperrige sowie aufwendige Bauteile vermeidet

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das dem zweiten Glied des Arbeitsarms entsprechende zweite Glied des Steuerarms in zwei in relativ unveränderlicher Winkellage zueinander gehaltene Halbglicder aufgeteilt ist, von denen das obere Halbglied einerseits unmittelbar am Schultergelenk und andererseits an dem diesem zugewandten Ende des dem ersten Glied des Arbeitsarms entsprechenden ersten Gliedes des Steuerarms und das untere Halbglied einerseits an dem dem Handgriff zugewandten Ende des ersten Gliedes des Steuerarms und andererseits am Handgriff angelenkt ist.

In den Unteransprüchen sind zweckmäßig weitere Ausgestaltungen des Hauptanspruchs gekennzeichnet.

Durch die erfindungsgemäße Unterteilung des einen Steuerarmgliedes in zwei Halbglieder, die zueinander in unveränderlicher Winkellage parallel zueinander gehalten sind, wird durch verhältnismäßig einfache Mittel eine wesentliche Vergrößerung des möglichen Schwenkbereichs der Arme erzielt.

Zur Vereinfachung der weiteren Beschreibung sollen im folgenden die Glieder im Steuerarm und im Arbeitsarm, dio einander bewegungsmäßig entsprechen, stets mit der gleichen Zahl bezeichnet werden, so daß also beispielsweise das erste Steuerarmglied stets das erste Arbeitsarmglied bewegt. In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels veranschaulicht, das einen Teleoperator mit einem Arbeitsarm darstellt, der aus zwei Gliedern besteht.

Dabei zeigt in der Zeichnung

Fig. 1 eine schematisch gehaltene Seitenansicht des Teleoperators «ils ganzes,

F i g. 2a ein Prinzipschema zur Veranschaulichung der Führung der Übertragungskabel vom Steuerhandgriff des Steuerarmes bis zur Greifzange am Ende des Arbeitsarmes für einen Teleoperator nach Fig. 1, bei dem einander entsprechende Glieder des Steuerarms und des Arbeitsarms gleiche Winkelbewegungen ausführen,

Fig.2b eine Fig.2a ähnliche Darstellung zur Veranschaulichung der Lage der Übertragungskabel für die Steuerung der Ausschläge des zweiten Gliedes des Arbeitsarmes, also der Bewegung im Ellenbogen des Arbeitsarmes,

F i g. 2c und 2d wieder ähnlich der Darstellung in F i g. 2a zwei Varianten für die Führung der Steuerkabel für die Ausschläge des ersten Gliedes des Arbeitsarms, also dessen Bewegungen in seinem Schultergelenk,

F i g. 3a und 3b schematische Darstellungen zur Veranschaulichung jeweils der Teile der Einrichtung zur Verstellung der Arbeitstiefe, die mit der Steuerung für das Glied und der Steuerung für das Ellenbogengelenk

gekoppelt sind,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Ausgleichsgewichtseinrichtung für den Steuerarm und

F i g. 5 und 6 ein Prinzipschema für die Ausgleichsgewichtseinrichtung für den Axbeitsarm bzw. eine perspektivische Darstellung der Hauptteile dieser Einrichtung.

Der in F i g. 1 als ganzes dargestellte Teleoperator kann aufgebaut werden aus einem Wanddurchführur.gsrohr A, das eine Schutzwand gegen von in einem dadurch begrenzten Raum enthaltenen Materialien ausgehende Gefahren durchquert, einem innerhalb dieses Raumes untergebrachten Arbeitsarm B und einem außerhalb davon angeordneten Steuerarm C. Das Wanddurchführungsrohr A weist an seinen beiden Enden Schultergeienke 2 und 3 für den Arbeitsarm B bzw. für den Steuerarm C auf, die im folgenden nicht weiter beschrieben zu werden brauchen, da sie in üblicher und allgemein bekannter Weise ausgeführt sein können.

Der Arbeitsarm B besitzt ein erstes Glied 4, das im Schultergelenk 2 mit dem Wanddurchführungsrohr A und in einem Ellenbogengelenk 5 mit einem zweiten Glied 6 verbunden ist, das sich in der durch das Wanddurchführungsrohr A und das erste Armglied 4 definierten Ebene bewegt. Das freie Ende des zweiten Gliedes 6 ist mit einem Knie 7 versehen, das seinerseits eine Greifzange 8 trägt. Mit Vorteil enthält das zweite Armglied 6 zwei Teile, die sich gegeneinander verdrehen lassen, so daß die Greifzange 8 durch eine Azimutalbewegung ausgerichtet werden kann. Diese Bewegung läßt sich dann mit den beiden Freiheitsgraden kombinieren, die dem Knie 7 üblicherweise zukommen. Auch hierbei handelt es sich um einen üblichen Aufbau, wie er beispielsweise in den FR-PS 13 94 029 und 15 05 552 bzw. den diesen entsprechenden DB-PS 1281653 und DE-OS 1456443 im einzelnen beschrieben ist.

Der Steuerarm C besitzt seinerseits anschließend an sein Schultergelenk 3 ein Halbglied, das dem zweiten Glied 6 des Arbeitsarms B entspricht und aus diesem Grunde als oberes zweites Halbglied bezeichnet werden soll. Das Halbgiied 9 endet in einem Ellenbogengelenk 10, das ein Glied U trägt, das dem Glied 4 des Arbeitsarmes B entspricht und aus diesem Grunde als erstes Steuerarmglied bezeichnet werden soll. Am anderen Ende dieses ersten Steuerarmgliedes 11 schließen sich ein Gelenk 12, das als eine Art von Pseudoschultergelenk betrachtet werden kann, und ein Halbglied 13 an, das über ein Knie 14 einen Steuerhandgriff 15 trägt. Weiter unten im einzelnen beschriebene Einrichtungen halten das Halbglied 13 parallel zu dem Halbglied 9, und daher soll im folgenden das Halbglied 13 als unteres zweites Steuerarmhalbglied bezeichnet werden. Das Halbglied 13 ist so gestaltet, daß eine Ausrichtbewegung in Form einer Drehung um seine Achse, also eine Azimutalbewegung, möglich wird, die derjenigen Bewegung entspricht, die auf der Seite des Arbeitsarms B durch das zweite Glied 6 gewährleistet wird.

Mit Vorteil kann das untere Halbarmglied 13 des Steuerarms C aus zwei Teilen zusammengesetzt sein, dii. sich hilfsweise gegeneinander verdrehen lassen und dann dem Steuerarm die Möglichkeit geben, die durch das Wanddurchführungsrohr A und den Arbeitsarm B definierte Ebene zu verlassen, wodurch sich eine seitliche Verstellungsmöglichkeit ergibt.

In Fig. 1 ist in gestrichelten Linien eine Anordnung

angedeutet, wie sie sich ergeben würde, wenn das erste Steuerarmglied 11 unmittelbar an das Schultergelenk 3 angefügt würde. Aus der Darstellung der tatsächlichen Anordnung in Fig. 1 sieht man, daß bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Teleoperator der Steuerarm B sein zweite Glied, das dem Unterarm des Arbeitsarmes B entspricht, vor seinem ersten Glied liegen hat, das dem eigentlichen Arm des Arbeitsarms B entspricht. Diese Umkehr der Glieder macht das System mechanisch realisierbar, während das in gestrichelten ι ο Linien in F i g. 1 angedeutete System dies nicht wäre, da der Ellenbogen 17 eines solchen Gebildes, das sich durch eine Translationsbewegung des Arbeitsarms B ergeben würde, durch das Wanddurchführungsrohr A hindurchgehen müßte.

Zwar wäre eine mechanische Realisierung dieser letzten Anordnung dann möglich, wenn man dem steuerarmseitigen Ende des Wanddurchführungsrohres A die Form eines Kreuzkopfes geben wollte, doch ist leicht einzusehen, daß eine solche Ausführung sehr sperrig werden würde.

Von den Vorteilen, welche die erfindungsgemäße Ausbildung des Teleoperators bietet, fällt insbesondere der überaus große Ausschlag auf, der dem ersten Glied 4 des Arbeitsarms B möglich ist. Dieses erste Arbeitsarmglied 4 läßt sich nämlich um einen Winkel von im allgemeinen mindestens 60° sowohl nach oben als auch nach unten gegenüber der Achse des Wanddurchführungsrohres A verschwenken, die im allgemeinen horizontal verläuft, ohne daß das Ellenbogengelenk 12 jn des Steuerarmes C auf das Wanddurchführungsrohr A trifft. Weitere Vorteile dieser Ausführung ergeben sich für die Konstruktion und die Führung der Bedienungskabei. Diese Vorteile werden im folgenden näher erläutert. j.

Dazu soll zunächst die Übertragung der Bewegungen vom Steuerarm C auf den Arbeitsarm b· unter Bezugnahme auf die F i g. 2a, 2b und 2c beschrieben werden.

Die Steuerbewegungen für die Greifzange 8, nämlich 4« die Bewegung des Knies 7 und das Öffnen und Schließen der Greifzange 8 selbst, werden an der Stelle des Handgriffes 15 und des Knies 14 durch Organe ausgelöst, die von üblicher Bauart sein können und daher hier nicht weiter beschrieben sind. Entsprechend ist in Fig.2a auch nur der Verlauf eines einzigen flexiblen Übertragungselements 36 entlang der Glieder von Steuerarm Cund Arbeitsarm B eingezeichnet.

In dem Schema für die Kabelführung in Fig.2a sind der Einfachheit halber die auf den verschiedenen Gelenkachsen sitzenden Rollen mit der gleichen Bezugszahl wie diese Gelenke jeweils unter Hinzufügung eines a bezeichnet Obwohl in der Zeichnung nur ein einziges flexibles Übertragungselement 36 dargestellt ist, versteht es sich von selbst, daß auch mehrere solcher Elemente wie Bänder, Kabeln oder Ketten für die Übertragung der Bewegungen von dem Steuerhand griff 15 auf die Greifzange 8 vorgesehen sein können Insgesamt sind nämlich 4 verschiedene Bewegungen zl realisieren, und zwar sind dies das öffnen und da< Schließen der Greifzange 8, die Ausrichtung des Knies 7 um zwei zueinander senkrechte Achsen und die Drehung des zweiten Gliedes 6 des Arbeitsarms B.

Jedes der flexiblen Übertragungselemente 36 läufl anschließend an die Greifzange 8 des Arbeitsarms L über eine Rolle 5a am Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarms B und dann über eine Rolle 2a am Schultergelenk 2 des Arbeitsarms B. Eine an dem Wanddurchführungsrohr A angebrachte zusätzliche Führungsrolle 18 hält den von der Rolle 2a kommender Strang des flexiblen Übertragungselements 36 selbsl dann in Anlage an der Rolle 2a, wenn das Arbeitsarmglied 4 über seine Fluchtstellung mit dem Wanddurchführungsrohr A hinaus nach oben, d. h. in der Praxis über die Horizontale hinaus geführt sein sollte. Anschließend wird das flexible Übertragungsorgan 36 durch eine Rolle 3a am Schultergelenk 3 des Steuerarms C unterstützt und sodann durch eine weitere Rolle 10a am Ellenbogengelenk 10 des Steuerarms C. Zwischen die Rollen 3a und 10a ist eine zusätzliche Andrückrolle 19 eingefügt, die an dem ersten Steuerarmglied 11 sitzt und das flexible Übertragungselement 36 ständig an die Rolle 10a andrückt. Als letztes läuft das flexible Übertragungselement 36 dann über eine Rolle 12a aul dem Pseudoschultergelenk 12 des Steuerarmes C.

In Fig. 2a läuft das flexible Übertragungselement 36 über alle Rollen 5a, 2a, 3a, 10a und 12a an den verschiedenen Gelenken 5,2,3,10 und 12 oben hinweg, und dieser Anlagesinn soll im folgenden als positiver Sinn betrachtet werden.

Offensichtlich ist es erforderlich, daß die Gesamtlänge des flexiblen Übertragungselements 36 während der verschiedenen Verformungen von Steuerarm C und Arbeitsarm ßin ihren Gelenken unverändert bleibt. Die Möglichkeiten zur Erfüllung dieser Bedingung sollen nunmehr untersucht werden. Dazu sei der Winkel zwischen dem ersten Glied 4 des Arbeitsarms Sund der Achse des Wanddurchführungsrohrs A mit α und der Winkel zwischen der Achse des Wanddurchführungsrohrs A und des zweiten Gliedes 6 des Arbeitsarms B mit β bezeichnet. Weiter sei angenommen, daß in einem ersten Zeitpunkt die einander entsprechenden Glieder von Steuerarm Cund Arbeitsarm Bparallel zueinander verlaufen.

Dann läßt sich die obenerwähnte Bedingung so formulieren, daß die Gesamtlänge des flexiblen Übertragungselements 36 unabhängig von der Größe der Winkel α und β konstant bleiben muß. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt das, daß die Summe der Rollbewegungen auf den verschiedenen Rollen unabhängig von den Winkeln λ und β sein muß. Nun berechnen sich die Roll-Längen:

Für die Rolle 5 a mit dem Radius R 5: R 5

Für die Rolle la mit dem Radius Rl: -Rl λ.

Für die Rolle 3a mit dem Radius R3: -R3 fr

Für die Rolle 10a mit dem Radius RIO: -R 10(α + /i) Für die Rolle 12a mit dem Radius R 12: R \l(a+/f).

und

Dann läßt sich die obenerwähnte Bedingung so ausdrücken, daß gleichzeitig die beiden Gleichungen:

65 R5-R3-

R5- Rl-

(D

erfüllt sind. Dies bedeutet unter der Annahme, daß die beiden Radien R2 und A3 gleich groß und gleich dem

Wert R sind, daß die Gleichung:
R5- R= R\0- R\2

befriedigt sein muß.

Diese Bedingung kann man auch so ausdrücken, daß die Rollen 2a und 3a an den Schultergelenken 2 bzw. 3 von Arbeitsarm B und Steuerarm C denselben Radius haben müssen und daß die Differenz zwischen den Radien für die Rollen am ersten Glied 4 des Arbeitsarms B, also die Rolle 5a am Ellenbogengelenk 5 und die Rolle 2a am Schultergelenk 2 gleich der Differenz zwischen den Radien für die entsprechenden Rollen des entsprechenden Armgliedes des Steuerarms C, also die Rolle 10a am Ellenbogengelenk 10 und die Rolle 12a am Pseudoschultergelenk 12, sein muß. Alle obigen Bedingungen sind insbesondere dann erfüllt, wenn alle Rollen den gleichen Durchmesser haben. Diese Lösung ist gleichzeitig die einfachste und die vorteilhafteste.

Bisher ist angenommen worden, daß jede Drehung eines Gliedes des Steuerarms Cum einen Winkel α oder β eine entsprechende Drehung des zugehörigen Gliedes des Arbeitsarms B zur Folge hat. Im Gegensatz dazu kann man auch einen Teleoperator bauen, bei dem das erste Glied des Arbeitsarms durch eine Drehung des entsprechenden Gliedes des Steuerarms zwar in eine Drehung in gleicher Richtung, aber mit um einen Reduktions- oder Verstärkungsfaktor P verkleinerter oder vergrößerter Amplitude versetzt wird, während das zweite Glied des Arbeitsarms eine entsprechende Drehung mit einem Reduktions- oder Verstärkungsfaktor K erfährt. Die obigen Gleichungen (1) und (2) gehen dann in die nachstehenden Gleichungen:

P (R 5 - R 2) - R 10 + R 12 = 0
K(R5 - R3)- R\0 + R\2 = 0

über, die etwas komplizierter aufgebaut sind und aus denen sich insbesondere die Gleichung:

~™— · R5 - P ■ Rl + K · «3 = 0

ergibt. In dieser Schreibweise zeigt die Bedingung, daß die Rollen 2a und 3a an den Schultergelenken 2 und 3 noch denselben Radius haben müssen, wenn die Faktoren fund K einander gleich sind.

Zu den obigen Gleichungen sei noch angemerkt, daß der in Fig.2a eingetragene Rollsinn der einzig mögliche ist, wenn die Reduktions- oder Verstärkungsfaktoren P und K einander gleich und gegebenenfalls gleich 1 sind. Jede Umkehrung des Sinnes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen wie 5a und 2a oder 2a und 3a würde es nämlich unmöglich machen, die obigen Gleichungen für die Übertragungsbedingungen zu erfüllen. Sind dagegen die Faktoren P und K verschieden, so kann insbesondere für bestimmte Werte für diese Faktoren eine Umkehr des Drehsinnes für zwei aufeinanderfolgende Rollen erforderlich werden, um die obigen Gleichungen zu erfüllen.

Das in F i g. 2a angegebene Schema für die Kabelführung läßt sich in gleicher Weise für die Übertragung der Bewegungen von dem Gelenk 12 des Steuerarms C auf das Gelenk 5 des Arbeitsarms B anwenden. Dazu genügt es, die von den Rollen 5a und 12a zu den entsprechenden Knien führenden Kabelstränge mit Hilfe zusätzlicher zurückführender Kabelstränge zu einer geschlossenen Kabelschleife zu ergänzen und an den Gelenken 5 und 12 Rollen zu verwenden, die mit den entsprechenden Armgliedern 6 und 13, fest verbunden sind. Ein solches Kabelschema würde jedoch überflüssige Teile enthalten, und es ist daher vorzuziehen, ein Kabelschema zu verwenden, wie es in Fi g. 2b veranschaulicht ist, in der die an den verschiedenen

■j Gelenken sitzenden Rollen mit den jeweils gleichen Bezugsstrahlen unter Hinzufügung eines b bezeichnet sind. Auch das Kabelschema von F i g. 2b führt auf die Befriedigung der obigen Gleichungen (1) und (2), wobei zusätzlich die Bedingung /?12 = Λ 10 - 0 eingeführt

ίο wird, die Rolle 3b also unmittelbar mit den für die Übertragung der Bewegungen auf die Rolle 5b am Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarms B bestimmten Kabeln verbunden ist. In F i g. 2b sieht man ein flexibles Übertragungselement 32, das die Rolle 5b mitnimmt, die

π ihrerseits durch ein Ritzel ersetzt wird, wenn das Übertragungselement 32 eine Kette ist. Der untere und der obere Strang des Übertragungselements 32 laufen über eine Rolle 2b am Schultergelenk 2 des Arbeitsarmes B, wobei sie durch an dem Wanddurchführungsrohr A sitzende Andrückrollen 33 und 34 an die Rolle 2b angedrückt werden, und anschließend vereinigen sie sich auf der Rolle 3\b am Schultergelenk 3 des Steuerarms C, die als Antrieb für das Übertragungselement 32 dient.

Außerdem sind zur Aufrechterhaltung der Parallelität zwischen dem oberen und dem unteren Halbglied 9 und 13 des Steuerarms C zwei Rollen oder Ritzel 106 bzw. \2b, die jeweils mit einem dieser Halbglieder 9 bzw. 13 fest verbunden sind, durch eine Schleife 35 aus einem

jo Band, einem Kabel oder einer Kette miteinander gekoppelt. Auf diese Weise bilden die beiden Halbglieder 9 und 13 im Steuerarm C das Gegenstück zum zweiten Armglied 6 des Arbeitsarms B.
F i g. 2c zeigt das Prinzipschema für die Übertragung

j--, der Bewegungen auf das Schultergelenk 2 des Arbeitsarms B. Dieses Prinzipschema entspricht wieder den in den obigen Gleichungen (1) und (2) angegebenen Bedingungen, wobei die Rollen an den Gelenken 5 und 12 jeweils den Radius Null haben.

Ein in Form einer geschlossenen Schleife ausgebildetes flexibles Übertragungselement 36 läuft über eine angetriebene Rolle 2c, die bei Ausbildung des Übertragungselements 36 als Kette durch ein Ritzel ersetzt ist, und anschließend über eine Umlenkrolle 3c am Schultergelenk 3 des Steuerarms C zu einer Antriebsrolle 10c; die drehfest mit dem ersten Glied 11 des Steuerarms C verbunden ist. Zwei Rollen 37 und 38 mit kleinerem Durchmesser, die auf dem Halbglied 9 sitzen, drücken das flexible Übertragungselement 36

so ständig an die Rollen 3Cund lOcan.

Wenn die Übertragung der Steuerbewegungen für das Schultergelenk 2 des Arbeitsarms B durch eine Kette bewirkt wird, kann es von Vorteil sein, das in Fig.2d veranschaulichte Übertragungsschema anzuwenden, das eine Variante zu dem in Fig.2c veranschaulichten Schema darstellt, die diesem kinematisch äquivalent ist In Fig.2d bildet das als Kette ausgebildete Übertragungselement 36 eine geschlossene Schleife um Ritzel 3c und 2c an den Schultergelenken 2 und 3, wobei es durch leer mitlaufende Zahnräder 39, 40, 41 und 42 in Anlage gehalten wird. Eine zweite, ebenfalls einen geschlossenen Ring bildende Kette 43 koppelt das Steuerritzel 10c mit einem Ritzel 44, das drehfest mit dem Ritzel 3c verbunden ist

Aus F i g. 2c oder auch aus F i g. 2d sieht man sofort, daß eine Schwenkbewegung um das Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarms B keine Auswirkung auf die Länge der Übertragungselemente hat Dann bewegen sich nämlich

das Knie 7 an die Stelle 7', das Ellenbogengelenk 10 des Steuerarms Can die Stelle 10' und das Pseudoschultergelenk 12 des Steuerarms C an die Stelle 12'. Jedoch bleibt das Armglied 11 zu sich selbst parallel, und es rollt ebenso viel von dem flexiblen Übertragungselement 36 von der Rolle 3c ab, wie bei dieser Bewegung auf die Rolle 10c auf läuft.

Außerdem wird aus F i g. 2b und 2c ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Teleoperators klar ersichtlich, der zu dem Vorteil, daß man für alle Gelenke Rollen von gleichem Durchmesser verwenden kann, noch hinzukommt. Dieser Vorteil ist mit der Tatsache verbunden, daß die Gesamtlänge des Ühertragungsweges für die Steuerung des Ellenbogengelenks 5 des Arbeitsarms B, die allein von dem Schultergelenk 3 des Steuerarmes C ausgeht, gleich der Summe aus der Länge des Wanddurchführungsrohrs A und der Länge des ersten Gliedes 4 des Arbeitsarms ist, während die Länge des Übertragungsweges für die Steuerung des Schultergelenks 2 des Arbeitsarms B gleich der Summe aus der Länge des Wanddurchführungsrohrs A und der Länge des oberen zweiten Halbgliedes 9 des Steuerarms C ist. Im Gegensatz dazu wird bei Teleoperatoren, die eine vollkommen asymmetrische Anordnung zeigen, die Länge des Übertragungsweges von Ellenbogengelenk zu Ellenbogengelenk wesentlich größer als die Länge des Übertragungsweges von Schultergelenk zu Schulvergelenk. Nun ist jedoch eine Gleichheit dieser Weglängen für die Steifigkeit des Teleoperators insbesondere hinsichtlich der Bewegung der Ellenbogengelenke sehr von Vorteil.

Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung ist mit der Tatsache verbunden, daß die oberen Kabelstränge, die über die Rollen 2a, 2b und 2c am Schultergelenk 2 des Arbeitsarms B laufen, sämtlich auf das erste Glied 4 des Arbeitsarms einwirken. Als Folge davon teilen sich alle flexiblen Übertragungselemente in die Beanspruchung des Schultergelenks 2 des Arbeitsarms B. Nun ist dieses Gelenk dasjenige, das ein maximales Moment aufzunehmen vermag, wenn der Arbeitsarm B mit seinen Gliedern 4 und 6 vollkommen zur horizontalen Lage gestreckt ist. Diese Teilung in die Beanspruchung insbesondere durch die Steuerung des Schultergelenks 2 des Arbeitsarms B (Fig.2c) und die Steuerung des Ellenbogengelenks 5 des Arbeitsarms B (Fig.2b) zustande, während die Auswirkung der in Fig.2a dargestellten Kabelführung mit im allgemeinen vier Kabeln für das Knie 7 und die Greifzange 8 und zwei Kabeln für die in F i g. 1 veranschaulichte azimutale Ausrichtung dagegen vernachlässigbar ist

Diese Anordnung hat zweierlei Auswirkungen:

Zum einen können die flexiblen Übertragungselemente für die Steuerung der Bewegung im Schultergelenk 2 und im Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarms B, die auf Rollen oder Ritzel von gleichem Durchmesser arbeiten, aus Kabeln von gleichem Querschnitt oder aus identischen Ketten bestehen, während eine andere Anordnung es notwendig machen würde, das Drehmoment für das Schultergelenk 2 des Arbeitsarms mit einer stärkeren Rolle 2c zu übertragen als die Rolle 5b, die das Drehmoment für die Steuerung im Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarmes bewirkt Die Addition der beiden Übertragungen in ihrer Auswirkung auf den sich um das Schultergelenk 2 drehenden Rollensatz ermöglicht es, Verzerrungen zu vermeiden und den Durchmesser für das Wanddurchführungsrohr A erheblich zu vermindern, das alle Rollen auf der Höhe des Schultergelenks 2 des Arbeitsarms B aufnehmen muß.

Zum anderen wirkt sich die mit dem Umstand, daß alle Übertragungsrollen an der Stelle des Schultergelenks 2 des Arbeitsarms B von gleichem Durchmesser sind, verbundene Gleichheit der Beanspruchung durch ^ri Momente auf den Mechanismus zur Verstellung der Arbeitstiefe aus, mit dem der oben beschriebene Teleoperator mit Vorteil ausgestattet ist. Diese Einrichtung ist dazu bestimmt, den Arbeitsarm B als ganzes oder einen Teil davon ohne entsprechende

ι ο Bewegung auf Seiten des Steuerarms Czu verschieben.

Diese Verschiebung wird durch Veränderung der Länge einer in den Weg der flexiblen Übertragungselemente eingefügten offenen Schleife erreicht Dazu kann man sich insbesondere einer Vorrichtung zum Verstellen der Arbeitstiefe der Teleoperatoren bedienen, wie sie in der Parallelanmeldung (410-B3436.3) der Anmelderin vom 2. 1.1970 beschrieben ist.

Diese Verstellvorrichtung, die insbesondere auf die Verhältnisse bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Teleoperator abgestellt ist, sei im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 3a und 3b kurz beschrieben. Die Vorrichtung sitzt auf dem Wanddurchführungsrohr A auf dessen steuerarmseitigen Ende außerhalb der davon durchquerten Schutzwand.

In der Fig.2a ähnlichen Fig.3a ist der Teil der Verstellvorrichtung D dargestellt, der mit dem flexiblen Übertragungselement 30 gekoppelt ist.

Das flexible Übertragungselement 30, das repräsentativ für verschiedene Kabel, Bänder oder Ketten steht,

jo welche die Azimutalbewegung des zweiten Gliedes 6, die Ausschläge des Knies 7 und das öffnen und Schließen der Greifzange 8 am Arbeitsarm B steuern, läuft nacheinander über eine Umlenkrolle 21, eine bewegliche Rolle 22 für die Steuerung der Verstellung

Γ) und eine Umlenkrolte 23. Die Anordnung der Rollen 21 und 23 ist so, daß die auf der Rolle 22 ankommenden Kabelstränge parallel zueinander verlaufen. Die Zeichnung zeigt, daß es genügt, die Rolle 22 im Sinne des Pfeils /Oder entgegengesetzt dazu zu verschieben, um eine gleichzeitige Änderung der Länge aller über die Rolle 22 laufenden Kabel oder Ketten und damit eine Drehbewegung um ihre jeweiligen Gelenke (Ellenbogengelenk oder Schultergelenk) zu bewirken.

In entsprechender Weise kann man gemäß der Darstellung in Fig. 2b den oberen Strang des flexiblen Übertragungselements 32 für die Bewegung im Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarms B über eine der Rolle 22 ähnliche Bewegliche Rolle 22b laufen lassen, so daß man eine gleichzeitige Änderung der Länge aller über die Rollen 22 und 226 laufenden Kabel und damit ein Kippen des Arbeitsarms B bewirken kann.

An dieser Stelle sind zwei verschiedene Fälle zu unterscheiden. Will man eine Verstellung der Arbeitstiefe durch Kippen des zweiten Gliedes 6 des Arbeitsarms B um das Ellenbogengelenk 5 erreichen, so genügt es, das flexible Übertragungselement 36 für die Steuerung der Bewegungen im Schultergelenk 2 des Arbeitsarms B von der Rolle 2c frei zur Rolle 3c laufen zu lassen, das heißt, es ändert sich nichts an dem in Fig.2c veranschaulichten Prinzipschema. Für den Fall einer Verschiebung des Rollensatzes mit den Rollen 22 und 22b im Sinne des Pfeiles /oder umgekehrt dazu ändert sich die Länge des oberen Stranges des flexiblen Übertragungselements 36 für die Steuerung der Bewegung im Schultergelenk 2 nicht, und es entsteht auch keine Änderung in der Ausrichtung des ersten Gliedes 4 des Arbeitsarms B.
Wenn dagegen, und dies ist der allgemeine Fall, eine

Verstellung der Arbeitstiefe durch Kippen des Arbeitsarms B als ganzes um sein Schultergelenk 2 gewünscht wird, muß man den oberen Strang des flexiblen Übertragungselements 36 über zwei den Rollen 21 und 23 ähnliche feststehende Führungsrollen 21 £ und 23i> laufen lassen und zwischen diesen Rollen über eine gemeinsam mit den Rollen 22 und 22£> verschiebbare Steuerrolle führen.

Für alle flexiblen Übertragungselemente, die wie insbesondere die Übertragungselemente 36 und 32 eine positive Steuerbewegung bewirken sollen, ist es erforderlich, für den unteren Strang eine der mit dem oberen Strang gekoppelten Vorrichtung entgegengesetzte Stellvorrichtung vorzusehen. So läuft das Übertragungselement 32 beispielsweise in F i g. 3b über zwei feststehende Führungsrollen 25b und 27b und dazwischen über eine Steuerrolle 266. Die Steuerrolle 26b muß sich zur gleichen Zeit wie die Rolle 22b verschieben. Eine einfache Lösung dafür besteht darin, alle Steuerrollen auf ein und demselben Schieber 24 anzubringen, der sich quer zum Wanddurchführungsrohr A verschieben läßt. Der Schieber 24 kann die in F i g. 6 veranschaulichte Ausbildung haben und aus einem U-förmigen Bügel bestehen, dessen Boden eine Gewindebohrung aufweist, in die eine Schraubspindel eingeschraubt ist, die mit einer feststehenden Platte gegen Translation gesichert verbunden ist und durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Motor in Drehung versetzt werden kann.

Praktische Erwägungen verlangen, daß die mit ein und demselben Strang gekoppelten Steuerrollen nicht auf ein und derselben Achse liegen, sondern auf zwei entlang zueinander und zur Achse des Wanddurchführungsrohrs 7 paralleler Achsen angeordnete Züge verteilt sind. Jede Steuerrolle sitzt mit Vorteil in einem eigenen Gehäuse, dessen Lage auf dem Schieber 24 in Richtung des Pfeiles /zwecks Einstellung der Spannung des entsprechenden Kabelzuges veränderbar ist.

Bei Ausrüstung des Teleoperators mit einer Verstellvorrichtung zur Verstellung der Arbeitstiefe müssen der Steuerarm und der Arbeitsarm unabhängig voneinander ins Gleichgewicht gebracht werden. Die mit der unsymmetrischen Ausbildung des Teleoperators verknüpften Eigenschaften beider Arme ermöglichen es, diese Gleichgewichtseinstellung mit Hilfe einer relativ einfachen Vorrichtung zu erreichen, die in der obenerwähnten Parallelanmeldung der Anmelderin beschrieben ist.

Die für die Herstellung des Gleichgewichts am Steuerarm C gedachte Vorrichtung (Fig.4) weist ein Gegengewicht 51 und einen Satz von Schwenkhebeln 52,52', 53 und 53' auf, die miteinander ein Gelenkparallelogramm bilden und das Gegengewicht 51 ständig in einer zur Lage des Schwerpunktes des Steuerarms C in bezug auf eine feste Achse homothetischen Lage halten. In diesem Gelenkparallelogramm ist der Schwenkhebel 52 an dem Schwenkhebel 53 angelenkt, der seinerseits fest mit der Rolle 3c verbunden ist, an deren Stelle bei Ausbildung des Übertragungselements als Kette ein Ritzel treten kann. Das Gelenkparallelogramm wird vervollständigt durch den Schwenkhebel 53' und den eine Verlängerung des oberen zweiten Halbgliedes 9 bildenden Schwenkhebel 52'.

Für den Fall, daß das obere zweite Halbglied 9 eine Hilfsdrehbewegung ausführt, muß das Gelenkparallelogramm der Gleichgewichtsanordnung dieser Bewegung offensichtlich folgen. In diesem Falle kann ein weiterer Schwenkhebel 53" in Verlängerung des Armgliedes 11

die Mitnahme gewährleisten.

Die Gleichgewichtseinrichtung für den Arbeitsarm B (Fig. 5 und 6) ist in ähnlicher Weise mit einem Gegengewicht 55 ausgeführt, das auf der Steuerarmseite der Schutzwand angeordnet ist. Das Gegengewicht 55 ist mit einem Satz von Schwenkhebeln 61 und 62 gekoppelt, die miteinander eine verformbare Gelenkverbindung bilden, welche die geometrische Anordnung der Glieder des Steuerarms C wiedergibt. Dabei sitzt das Gegengewicht 55 auf dem ersten Schwenkhebel 61, der seinerseits um eine Achse 56 drehbar mit dem zweiten Schwenkhebel 62 verbunden ist, der sich wiederum um eine feststehende Achse 57 drehen kann.

Der Übertragungsmechanismus, der durch seine Einwirkung auf die Schwenkhebel 61 und 62 die Bewegungen des ersten und des zweiten Gliedes des Arbeitsarms B nachbilden soll, ist mit der Verstellvorrichtung D gekoppelt. Um die Zeichnung nicht zu überladen, sind in Fig. 5 nur die oberen Stränge der biegsamen Übertragungselemente 36 und 32 für die Übertragung der Bewegungen zum Schultergelenk 2 und zum Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarms B veranschaulicht.

Die Rolle 2\b, an der das biegsame Übertragungselement 32 für die Steuerbewegung für das Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarms B anliegt, dreht sich, sobald eine Verstellung der Arbeitstiefe durch Verschiebung der beweglichen Rolle 22b vorgenommen wird. Die Ausrichtung der Rolle 21 b ist daher mit der Lage des Ellenbogengelenks des Arbeitsarms B gekoppelt. Wird die Bewegungsübertragung durch eine Kette bewirkt und die Rolle 21 b dann durch ein Zahnrad ersetzt, wie dies in Fig. 6 veranschaulicht ist, gibt es keinerlei Gleitbewegung, und die Reproduktion wird exakt. Ein Getriebezug mit Richtungsumkehr gibt außerhalb des die Verstellvorrichtung enthaltenden Gehäuses die Stellung des zweiten Gliedes des Arbeitsarms B an einem Mitnahmezahnrad 58 wieder, das außerhalb des Gehäuses der Verstellvorrichtung angeordnet ist. Die Rolle 21c, die in ähnlicher Weise wie die Rolle 216 an dem flexiblen Übertragungselement 36 für die Steuerung der Bewegung im Schultergelenk 2 des Arbeitsarms B angeordnet ist, nimmt über einen Getriebezug mit Richtungsumkehr und geeignetem Übersetzungsverhältnis ein Mitnahmezahnrad 59 mit, das außerhalb des Gehäuses der Verstellvorrichtung die Lage des ersten Gliedes des Arbeitsarms B wiedergibt.

Das Zahnrad 58 betreibt eine Kette 60, die auf ein mit dem Zahnrad 216 durchmessergleiches Zahnrad wirkt, das fest mit dem Schwenkhebel 22 verbunden ist und diesen in Drehung um die Achse 57 versetzt, was einer Reproduktion der Bewegung im Schultergelenk 2 des Arbeitsarms S entspricht. In ähnlicher Weise nimmt das Zahnrad 59 über zwei Ketten 63 und 64 und ein Paar von Übertragungszahnrädern ein Zahnrad 66 mit, das fest mit dem Schwenkhebel 61 verbunden ist und diesen in Drehung um die Achse 56 versetzt, was einer Reproduktion der Bewegung im Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarms B entspricht

Wie die Zeichnung zeigt, führt das Gegengewicht 55 infolge der oben beschriebenen Kraftübertragung Winkelbewegungen aus, die denen des Knies des Arbeitsarms B entsprechen, und bringt den Arbeitsarm B unabhängig ins Gleichgewicht

Die oben beschriebene Gleichgewichtseinrichtung verwendet als Antriebselement die Zahnräder 21 b und 21c In ähnlicher Weise kann man die Zahnräder 23b und 23c zum Steuern der Bewegungen des Gegenge-

wichts 51 ausnutzen. Diese Ausführungsvariante, die zu einer Verminderung der über die Schutzwand vorstehenden Teile führt, ua sie das Gegengewicht 51 näher an die Schutzwand heranbringt, kann in gewissen Fällen von Vorteil sein. ->

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Teleoperator mit einem Steuerarm und einem Arbeitsarm, die an einander entgegengesetzten Enden eines Wanddurchführungsrohres jeweils in einem Schultergelenk angelenkt sind und von denen jeder zwei ihrerseits gelenkig miteinander verbundene Glieder aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das dem zweiten Glied (6) des ι ο Arbeitsarmes (B) entsprechende zweite Glied des Steuerarms (C) in zwei in relativ unveränderlicher Winkellage zueinander gehaltene Halbglieder (9,13) aufgeteilt ist, von denen das obere Halbglied (9) einerseits unmittelbar am Schultergelenk (3) und andererseits an dem diesem zugewandten Ende des dem ersten Glied (4) des Arbeitsarms (B) entsprechenden ersten Gliedes (11) des Steuerarms (C) und das untere Halbglied (13) einerseits an dem dem Handgriff (15) zugewandten Ende des ersten Gliedes (11) des Steuerarms (C) und andererseits am Handgriff (15) angelenkt sind.

2. Teleoperator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Steuern der Bewegung des zweiten Gliedes (6) des Arbeitsarms (B) eine Steuereinrichtung mit einem in sich geschlossenen flexiblen Übertragungselement (32, 36) vorgesehen ist, das zwecks Drehung des zweiten Gliedes (6) des Arbeitsarms (B) um seine Anlenkstelle (5) am ersten Glied (4) über eine am zweiten Glied (6) befestigte Rolle und weiterhin über eine auf dem ersten Glied (4) an dessen Anlenkstelle (Schultergelenk 2) am Wanddurchführungsrohr (A) angebrachte Rolle und eine an dem oberen Halbglied (9) des Steuerarms (C) sitzende Rolle läuft, die durch dieses Halbglied (9) r> um dessen Anlenkstelle (Schultergelenk 3) am Wanddurchführungsrohr ^drehbar ist.

3. Teleoperator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zum Bewegen des ersten Gliedes (4) des Arbeitsarms (B) ein in sich geschlossenes flexibles Übertragungselement (32, 36) aufweist, das zwecks Drehung des ersten Gliedes (4) des Arbeitsarms (B) um seine Anlenkstelle (2) am Wanddurchführungsrohr (A) über eine am ersten Glied (4) des Arbeitsarms (B) v> befestigte Rolle und weiterhin über eine am oberen Halbglied (9) des Steuerarms (C) an dessen Anlenkstelle (3) am Wanddurchführungsrohr (A) angebrachte Rolle und eine auf dem ersten Glied des Steuerarms (C) sitzende Rolle läuft, die durch das erste Glied (11) des Steuerarms (C) um dessen Anlenkstelle (10) an dem oberen Halbglied (9) drehbar ist.

4. Teleoperator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verändern der Arbeitstie- τ> fe des Arbeitsarms (B) eine Verstellvorrichtung vorgesehen ist, die einen Satz von zwecks Änderung der Länge des oder der Stränge mindestens einiger der flexiblen Übertragungselemente (32,36) entlang einer zur Achse des Wanddurchführungsrohrs (A) e>o senkrechten Richtung um im Absolutbetrag gleiche, in der Richtung einander entgegengesetzte Strecken für zwei gleiche Stränge desselben Übertragungsorgans bewegliche Rollen (22,226,22c, 26Λ,) enthält.

b5 Die Erfindung betrifft einen Teleoperator mit einem Steuerarm und einem Arbeitsarm, die an einander entgegengesetzten Enden eines Wanddurchführungsrohres jeweils in einem Schultergelenk angelenkt sind und von denen jeder zwei ihrerseits gelenkig miteinander verbundene Glieder aufweisen.

Bei einem solchen Teleoperator wird der Steuerarm durch eine Bedienungsperson betätigt und nimmt bei seinen Bewegungen den Arbeitsarm mit Sowohl der Steuerarm als auch der Arbeitsarm ist aus aufeinanderfolgenden Gliedern aufgebaut, und jedes Glied des Steuerarms nimmt bei seiner Bewegung ein ihm entsprechendes Glied des Arbeitsarmes mit

Insbesondere sind Teleoperatoren dieser Art bekannt bei denen der Steuerarm ebenso wie der Arbeitsarm aus zwei Gliedern besteht. Aus auf der Hand liegenden Gründen wird bei diesen Teleoperatoren das Gelenk, das den Steuerarm als ganzes mit einem Wanddurchführungsrohr verbindet, das seinerseits die Verbindung zum Arbeitsarm herstellt, als Schulter bezeichnet, und das Gelenk zwischen den beiden Gliedern des Steuerarms trägt entsprechend den Namen Ellenbogen. Bei den bis heute üblichen Teleoperatoren dieser Art erfolgt die Bewegungsübertragung von der Schulter des Steuerarms zur Schulter des Arbeitsarms und vom Ellenbogen des Steuerarms zum Ellenbogen des Arbeitsarms. Außerdem steuert bei den Teleoperatoren, die ein erstes teleskopartig ausgebildetes Glied besitzen, das teleskopartige Glied des Steuerarms das teleskopartige Glied des Arbeitsarms.

Bei der oben geschilderten Bauweise von Teleoperatoren, bei denen die einander in ihrer Bewegung entsprechenden Glieder von Steuerarm und Arbeitsarm in diesen beiden Armen in der gleichen Reihenfolge angeordnet sind, ergeben sich in bestimmten Fällen und insbesondere bei Teleoperatoren, die keine teleskopartige Bewegung gestatten, Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten gehen insbesondere auf die Begrenzung des möglichen Winkelausschlags zwischen aufeinanderfolgenden Armgliedern wie beispielsweise zwischen dem ersten Glied eines Arms gegenüber dem Wanddurchführungsrohr oder zwischen dem ersten und dem zweiten Glied eines Arms zurück. Wenn nämlich einander entsprechende Glieder von Steuerarm und Arbeitsarm Bewegungen in gleichem Sinne ausführen, befinden sich die Schultern der beiden Arme in bezug auf die sie trennende Wand in umgekehrter Anordnung. Als Folge davon kommt jeweils ein Glied eines Arms zum Anschlag und begrenzt die Bewegungsmöglichkeit seines Arms, während das entsprechende Glied des anderen Arms frei beweglich bleibt. Wenn man beispielsweise die maximal mögliche Ausschlagsamplitude für die Schulter des Steuerarms bei einem Winkelausschlag von 60° nach vorn erreicht, kommt die Schulter des Arbeitsarms bei der gleichen Winkelstellung nach hinten zum Anschlag, und es ergibt sich eine Begrenzung des Gesamtausschlags auf einen Endwert von 120°.

Auch mit Hilfe der sogenannten Einrichtungen zur Verstellung der Arbeitstiefe, die eine Verschiebung eines Arms des Teleoperators als ganzes bei feststehendem anderen Arm ermöglichen, vermögen diesen Nachteil nur teilweise zu beheben.

Weiterhin sind zwar Teleoperatoren mit Steuerarm und Arbeitsarm bekannt (FR-PS 15 33 744), bei denen das Endstück des Wanddurchführungsrohres aus einem Kreuzkopf besteht, der dem Steuerarm eine Bewegung