DE2224349C3 - Manipulator - Google Patents

Manipulator

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DE2224349C3 DE19722224349 DE2224349A DE2224349C3 DE 2224349 C3 DE2224349 C3 DE 2224349C3 DE 19722224349 DE19722224349 DE 19722224349 DE 2224349 A DE2224349 A DE 2224349A DE 2224349 C3 DE2224349 C3 DE 2224349C3
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Ludwig Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Pietzsch
Helmut Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Thate
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    • F16H49/001Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions

Description

Die Erfindung betrifft einen Manipulator mit mindestens einem mittels eines Stellantriebes bewegbaren Glied, das an einem Basisteil angeordnet ist und an seinem freien Ende ein Werkzeug Jrägt
Bei Manipulatoren ist es bekannt, die Bewegungsantriebe in Einzelantriebe aufzuteilen und einem jeden zu bewegenden Arm einen eigenen Antrieb zuzuordnen (DE-PS 1138907). Hierzu wurden gemäß US-PS 28 58 947 und 30 66 805 Elektromotore als Antriebsmotore verwendet. Da Antriebe für Manipulatoren in der Lage sein müssen, das Lastmoment längere Zeit im Stillstand zu halten, sind Elektromotore hierbei einer großen thermischen Belastung ausgesetzt. Der für die Kühlung notwendige konstruktive Aufwand erhöht das ohnehin nicht geringe Leistungsgewicht von Elektromotoren erheblich. Zudem wird bei Manipulatoren in der Regel eine Mehrzahl von Antrieben hintereinander angeordnet, wobei die außenliegenden Antriebe von den weiter innenliegenden Antrieben mitbewegt und daher auch mit beschleunigt werden müssen, so daß auf die Einhaltung eines geringen Leistungsgewichts besonders zu achten ist.
Zur Erzielung eines möglichst geringen Leistungsgewichtes ist es bekannt (DE-PS 1148 721), an der Verbindungsstelle zweier Glieder des Manipulators ein Differential-Planetengetriebe mit vergleichsweise hohem Untersetzungsverhältnis vorzusehen und die Eingangswelle des Getriebes durch einen hochtourigen Elektromotor anzutreiben. Schnellaufende Elektromotore haben zwar gegenüber langsamlaufenden Elektromotoren ein vergleichsweise geringes Leistungsgewicht, jedoch wird, sofern sie thermisch belastbar sind, ihr Leistungsgewicht durch den notwendigen Kühlungsaufwand wiederum sehr stark erhöht.
In Erkenntnis dieser Nachteile wurden schon pneumatische Antriebe vorgeschlagen (US-PS 32 60 376), wobei analog zur Anwendung von elektromotorischen Antrieben jedem Arm des Manipulators ein eigener Pneumatikzylinder zugeordnet ist Pneumatische Antriebe haben zwar den Vorteil eines geringen Leistungsgewichtes, jedoch sind sie aufgrund der Kompressibilität des Arbeitsmediums Luft nur sehr ungenau positionierbar. Hinzu kommt, daß Pneumatikzylinder im allgemeinen nur zwischen Endanschlägen bewegbar und daher auch nur sehr schwer programmierbarsind.
Zum Umsetzen von digitalen Eingangssignalen in diskrete Ausgangspositionen oder in Geschwindigkeit sind hydraulische Schrittmotore bekannt (DE-OS 19 29 854), bei denen die Eingangsimpulse in einem Schaltventil einen Steuervorgang einleiten, wodurch ein strömendes Medium, z. B. öl oder Gas, als Energieträger eine Bewegung eines Kolbens oder eines Motors und damit eine Bewegung der Lasl hervorruft. Hierbei wird ein mit dem sich bewegenden Ausgangsglied fest verbundener Ventilschieber eines Vergleichsventils gegenüber der gehäusefesten Schieberhülse so lange verstellt, bis die Steuerkanten des Ventilschiebers die
iS Steueröffnung der Schieberhülse abdecken. Durch die Absperrung des strömenden Mediums kommt das Ausgangsglied zum Stillstand und wird erst dann wieder bewegt, sobald ein neuer Schaltvorgang durch einen Eingangsimpuls eingeleitet wird.
In Verbindung mit numerischen Steuerungen bei Werkzeugmaschinen sind elektrohydraulische Stellantriebe bekannt geworden (Zeitschrift »und-oder-nor«. Heft 4/1971), bei weichen die Umwandlung von digitalen elektrischen Signalen in Drehmomente innerhalb eines Drehankermagneten erfolgt. Hiervon wird die proportionale Winkelauslenkung einer Prallplatte abgeleitet, wodurch unterschiedliche Drücke in den zu einem Steuerschieber führenden Zuleitungen hervorgerufen werden. Dies hat zur Folge, daß eine der beiden Kammern eines Arbeitskolbens mit der Druckseite des ölvorrates verbunden und der Arbeitskolben dadurch verschoben wird.
Schließlich ist es in Verbindung mit einem hydraulischen Servosteuersystem bekannt geworden (DE-OS 14 26 581), die Düsen der Zuleitungen zu den Kammern eines Steuerkolbens durch eine Regelklappe proportional zueinander zu öffnen und zu schließen. Hierbei wird die Lage der Regelklappe durch Elektromagnete bestimmt.
so Hydraulische Stellantriebe sind, da Drucköl nur begrenzt speicherbar ist, mit dem Nachteil behaftet, daß die Druckölerzeugung unabhängig von der abzugebenden Leistung praktisch im Dauerbetrieb erfolgen muß. Der unnötig erzeugte Druck wird dabei über ein Ventil wieder in den Tank zurückgeführt, wobei die dabei frei werdende Wärmemenge durch ein Kühlsystem abgeführt werden muß. Darüber hinaus sind Hydrauliksysteme gegen Verschmutzungen und Lufteinschlüsse sehr anfällig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für Manipulatoren zu schaffen, der unter Gewährleistung eines geringen Leistungsgewichtes eine große Stellgenauigkeit bietet und dabei in jeder beliebigen Zwischenstellung seiner Bewegungsbahn unter Last stillsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Stellantrieb von einem elektropneumatischen Antrieb gebildet ist, der einen mit einem Getriebe hoher
Untersetzung verbundenen pneumatischen Motor und einen dessen Luftzufuhr über ein Steuervenvtil beeinflussenden elektrischen Schrittmotor umfaßt, wobei das Steuerventil mit der Motorabtriebswellc verbunden ist und zwei diametral angeordnete Düsensysteme aufweist, deren Durchflußquerschnitte durch eine mit dem Schrittmotor verbundene Prallplatte steuerbar sind.
Durch diese Anordnung wurde ein pneumatischer Motor geschaffen, dessen Abtriebsleistung durch einen elektrischen Schrittmotor regelbar ist. Hierdurch wurde es möglich, die steuerungsmäßigen Vorteile des elektrischen Motors auf einen nur ein geringes Leistungsgewicht aufweisenden pneumatischen Motor zu übertragen und dabei durch den hohen Untersetzungsgrad des der Motorantriebswelle nachgeschalte- ten Getriebes die Kompressibilität der Luft als Fehlerquelle weitestgehend zu eliminieren, da beispielsweise eine volle Zylinderfüllung des pneumatischen Motors nur einen vergleichsweise sdir geringen Stellbev/egungsanleil ergibt.
Im Vergleich zu den bei Manipulatoren seither überwiegend eingesetzten hydraulischen Antrieben wird eine Reihe von Vorteilen erzielt, die u. a. darin zu sehen sind, daß die Leitungsführungen einfacher sind, Rücklaufleitungen entfallen und die gesamte Anordnung weitgehend explosionssicher ist
Um ein möglichst großes Untersetzungsverhältnis des Getriebes innerhalb einer einzigen Stufe zu erreichen, ist das Getriebe von einem an sich bekannten Harmonic-Drive-Getriebe gebildet, dessen Wellengenerator mit der Abtriebswelle des Motors verbunden ist.
Eine raumsparende und äußerste kompakte Bauweise des gesamten Stellantriebes ergibt sich dadurch, daß der pneumatische Motor und der Schrittmotor innerhalb des Topfes des Harmonie-Drivc-Gctricbcs angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft ist es, den Stellantrieb so auszubilden, daß er bezüglich der Winkelstellungen des Gliedes ein Regelverhalten mit PR2-Charakteristik hat.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellen Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Manipulators,
Fig.2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Manipulators,
Fig.3 eine« Längsschnitt durch einen Druckluft-Axialkolbenmotor mit eingebautem Harmonic-Drive-Getriebe,
Fig.4 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf einen bei einem Axialkolbenmotor nach F i g. 3 eingesetzten Drehschieber,
F i g. 5 eine Stirnansicht des Harmonic-Drive-Getriebes.
Der in F i g. 1 gezeigte Manipulator umfaßt ein drehbar an einer festen Unterlage 108 angeordnetes Basisteil 109, an dem über ein Stellgelenk 100 ein in sich starrer Arm 104 angeflanscht ist.
Das Stellgelenk 100 ist durch eine im Basisteil 109 aufgenommene, nicht gezeigte Steuer- und Programmiereinrichtung schwenkbar, die durch ein nicht gezeigtes, im Basisteil 109 oder der Unterlage 108 untergebrachtes Schrittschaltwerk aktivierbar ist. Das Schrittschaltwerk kann auch eine Steuer- und Programmiereinheit 110 aktivieren, die an dem biegesteifen Mittelteil des Armes 104 angeordnet ist. Die Steuer- und Programmiereinrichtung 110 dient zur Steuerung eines Stellgelenkes 103 und zur Zustellung der daran angeordneten Greifzange 107.
Der in Fig. 1 gezeigte Manipulator hat vier Freiheitsgrade, die durch die Drehpfeile angedeutet sind.
Der in F i g. 2 dargestellte Manipulator hat zusätzlich einen weiteren Freiheitsgrad, der durch Zwischenschalten zwischen den Arm 104 und die Greifzange 107 eines weiteren Armes 105 über ein weiteres Stellglied 101 entstanden ist. Die Steuer- und Programmiereinrichtung dient hier zur Schwenkung des weiteren Armes ίΟ5, an dessen Mittelteil eine Steuer- und Programmiereinrichtung 111 zur Steuerung des Stellgelenkes 103 mit der Greifzange 107 angeordnet ist
In den Stellgelenken des Manipulators sind Stellantriebe vorgesehen, die einen elektro-pneumatischen Motor in Kombination mit einem Getriebe hoher Untersetzung aufweisen.
Das in Fig.5 dargestellte Getriebe besteht im wesentlichen aus drei Grundelementen, nämlich einem stabilen Stahlring 120 mit einem starren Zahnkranz 121 am inneren Umfang des Stahlringes, einem verformbaren Zahnkranz 122 mit Außenverzahnung, der am freien Rand eines elastischen Topfes 123 ausgebildet ist und einem Wellengenerator in Form eines etwa elliptischen Nockens 124, der über eine Antriebswelle 125 des pneumatischen Motors mit hoher Drehzahl antreibbar ist und über ein Wälzlager 126 am elastischen Topf abgestützt ist Die Zähnezahl des verformbaren Zahnkranzes 122 ist etwas geringer, im Grenzfall nur um einen Zahn, als diejenige des starren Zahnkranzes 121. Aufgrund dessen wird bei jedem Umlauf des Nockens 124, der eine umlaufende Abwälzbewegung des verformbaren Zahnkranzes im starren Zahnkranz erzeugt, eine Relativbewegung zwischen den beiden Zahnkränzen hervorgerufen, die dem Unterschied ihrer Umfangslängen entspricht. Das Getriebe kann seine Leistung über den verformbaren Zahnkranz oder über den starren Zahnkranz abgeben. Das entsprechende Gegenteil ist festgehalten.
In den in Fig.3 dargestellten Stellantrieb ist ein in Fig.5 gezeigtes Getriebe eingebaut Die Teile des Getriebes sind in Fig. 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in F i g. 5.
Der Antrieb umfaßt einen Preßluft-Axialkolbenmotor 1 bekannter Bauart. Der Zylinderblock 2 des Motors ist mit dem Wellengenerator 124 des Getriebes nach Fig.5 fest verbunden. Der Antrieb erfolgt über den drehbar gelagerten elastischen Topf 123 und die damit verbundene Abtriebshülse 4. Die Abtriebshülse 4 ist mit einem nicht dargestellten Arm des Manipulators verbunden und überträgt also auf diesen Arm das von dem Stellantrieb abgegebene Moment. Die Luftzufuhr steuert der Ventilblock 5, der mit dem Wellengenerator 124 und dem Zylinderblock 2 fest verbunden ist. In dem Ventilblock befindet sich pro Motorzylinder ein Ventilschieber 6, der bei Stillstand des Antriebes durch die Ventilfedern 7 in seiner Mittellage gehalten wird.
Der Ventilblock trägt außerdem zwei diametral angeordnete Kapillar-Düsens>steme 8, die an die Zuluft angeschlossen sind. Wird z. B. die untere Düse 8 durch die Prallplatte 9 verschlossen, dann bildet sich in den Hubräumen links neben den Ventilschiebern 6 ein überdruck, der die Ventilschieber nach rechts schiebt. Dadurch wird ein Teil der Zylinder des Preßluftmotors mit der Zuluftleitung und der andere Teil der Zylinder mit der Abluftleitung verbunden. Bei entsprechender Anordnung der stationären Zuluft- und Abluftkanäle
dreht sich der Motor im Uhrzeigersinn (Blickrichtung in F i g. 3 von links), wenn sich die Ventilschieber 6 in ihrer rechten Lage befinden. Wird die obere Düse 8 verschlossen, dann bewegen sich die Ventilschieber nach links. Dies hat eine Umkehr der Zylinderbeaufschlagung und damit eine Drehrichtungsumkehr zur Folge. Die von dem Schrittmotor 10 angetriebene Prallplatte 9 ist so ausgebildet, daß im Gleichgewichtszustand (Stillstand) beide Düsen frei sind. Dreht sich die Prallplatte, dann wird, je nach Drehrichtung, entweder die obere oder die untere Düse verschlossen. Der Preßluftmotor folgt also der Drehung der Prallplatte, bis die verschlossene Düse wieder frei ist.
Bei dem dargestellten Stellantrieb sind die Nachteile der Pneumatik, wie zu große Elastizität und slip-stick-Verhalten, weitgehend ausgeschaltet. Bei zusätzlicher Belastung des mit dem dargestellten Antrieb ausgerüsteten Stellgelenkes durch eine Störgröße werden übet das Steuerventil, das als Komparator arbeitet, die axialen Zylinder nachgefüllt. Somit ist die Steifigkeit de« Systemes mindestes mit der vergleichbar, mit der mar bei einer Konstruktion mit Hydraulikzylindern rechner kann.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Manipulator mit mindestens einem an einem Basisteil angeordneten, an seinem freien Ende ein Werkzeug tragendes und mittels eines Stellantriebes bewegbaren Gliedes, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb von einem elektropneumatischen Antrieb gebildet ist, der einen mit einem Getriebe (120 bis 125) hoher Untersetzung verbundenen pneumatischen Motor (1) und einen dessen Lufzufuhr über ein Steuerventil (5) beeinflussenden elektrischen Schrittmotor (10) umfaßt, wobei das Steuerventil (5) mit der Motorabtriebswelle verbunden ist und zwei diametral angeordnete Düsensysteme (8) aufweist, deren Durchflußquerschnitte durch eine mit dem Schrittmotor (10) verbundene Prallplatte (9) steuerbar sind.
2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein an sich bekanntes Harmonic-Drive-Getriebe ist, dessen Weilengenerator (124) mit der Abtriebswelle des Motors (1) verbunden ist
3. Manipulator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatische Motor (1) und der Schrittmotor (10) innerhalb des Topfes (123) des Harmonie-Drive-Getriebes angeordnet ist.
4. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb so ausgebildet ist, daß er bezüglich der Winkelstellungen des Gliedes ein Regelverhalten mit PR2-Charakteristik aufweist.
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