DE2249894C2

DE2249894C2 - Motorgesteuerter Manipulator

Info

Publication number: DE2249894C2
Application number: DE2249894A
Authority: DE
Inventors: Jean Claude Paris Germond; Charles Taverny Glachet; Jean-Pierre Jouars-Pontchartrain Guilbaud; Jean Issy Les Moulineaux Vertut
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-10-11
Filing date: 1972-10-11
Publication date: 1984-04-05
Also published as: US3790002A; JPS4849159A; IT975223B; DE2249894A1; GB1372327A; JPS5613597B2

Description

40

Die Erfindung betrifft einen motorgesteuerten Manipulator, umfassend einen an einer Schulterachse angelenkten Oberarm, an dessen einem Ende über eine Ellbogenachse ein Unterarm angellenkt ist, an dessen freiem Ende eine Greifzange angeordnet ist, die um eine Handgelenkachse schwenkbar und unabhängig von dieser Schwenkbarkeit um ihre Längsachse drehbar ist, wobei sie unabhängig von ihren eigenen Bewegungen betätigbare Greifer aufweist, und wobei am anderen Ende des Oberarms Gewichtsausgleichsmassen vorgesehen sind, um ein permanentes Gleichgewicht des Oberarms um die Schulterachse sicherzustellen.

Die US-PS 28 46 084 zeigt einen motorgesteuerten Manipulator, wobei die vorgesehenen Gewichtsausgleichsmassen ein permanentes Gleichgewicht des Oberarms um die Schulterachse herstellen sollen Die Gewichtsausgleichsmassen stellen dabei lediglich eine Gewichtsmasse dar, die keine andere Funktionen erfüllt.

Die DE-PS 12 81653 und die FR-PS 20 61941 betreffen Manipulatoren mit angelenkten Gegengewichten, die ebenfalls ausschließlich als Gewichtsmasse dienen.

Die DE-OS 14 56 443 betrifft einen Manipulator, bei dem Gleichgewichtsfehler in der Gewichtskompensation des Arbeitsarms ausgeglichen werden sollen. Zu diesem Zweck sind zwei Differantialmechanismen vorgesehen, die zusammen gegensinnige und zusätzliche Bewegungen addieren, urn den Arbeitsarm zu jeder Zeit während der normalen Benutzung des Manipulators — unabhängig von seiner jeweiligen Stellang gegenüber dem Steuerarm — in praktisch vollkommenen Gleichgewicht zu halten. Derartige Differentialmechanismen stellen offenbar eine ziemlich aufwendige und komplexe Maßnahme dar.

Die FR-PS 20 40 588 zeigt einen Manipulator, bei dem der Oberarm seitlich angelenkt ist, um gegebenenfalls eine Verdrehung um 360° zu ermöglichen.

Bei diesen Ausführungsformen sind die Motoren und die damit gekoppelten Untersetzungsgetriebe meist im Inneren der einzelnen gelenkig miteinander verbundenen Bauteile des Manipulators angeordnet oder auch in einem festen Block vereinigt, der den Oberarm, den Unterarm und die Greifzange trägt und im allgemeinen ein erhebliches Volumen und eine beachtliche Masse aufweist. Dabei begrenzt unter anderem die Notwendigkeit zur Erzielung unabhängiger Verschwenkungen für die einzelnen gelenkig miteinander verbundenen Bauelemente des Manipulators die Größe der für die einzelnen Bauelemente bei diesen Bewegungen erreichbaren Ausschlagwinkel wegen der damit verbundenen Torsion für die Übertragungsorgane für die Kraftübertragung .-wischen den Motoren und den ihnen zugeordneten Bauelementen des Manipulators.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Manipulator der eingangs erwähnten Art dahingehend zu verbessern, daß ein ständiges Gleichgewicht der verschiedenen Bauelemente in bezug auf die verschiedenen Drehachsen mit Hilfe von Massen gewährleistet wird, die beim Betrieb des Manipulators gleichzeitig auch andere Funktionen erfüllen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Hauptanspiruch angeführten Merkmale. Die Unteransprüche kennzeichnen zweckmäßige weitere Ausbildungen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich ein Manipulator schaffen, der bei einfachem und damit kostengünstigem Aufbau funktionell in hohem Maße die an einen Manipulator zu stellenden Forderungen erfüllt und gleichzeitig einen geringeren Raumbedarf aufweist als die bekannten Ausführungen.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung, die den Gewichtsausgleich und die Steuermechanismen für die verschiedenen Bewegungen des Manipulators erkennen läßt;

Fig. 2 jn schematischer Darstellung eine Ausführungsvariante für die in F i g. 1 zur Durchführung der Parallelbewegung mit gleicher Amplitude aber entgegengesetzter Richtung für den Unterarm einerseits und den Tragblock andererseits um ihre jeweiligen zueinander parallelen und an den Enden des Oberarms sitzenden Achsen;

F i g. 3 eine schematisch gehaltene Seitenansicht für eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäß ausgebildeten Manipulators, in der vor allem die Einrichtungen für die Drehung des gesamten Manipulators um eine die Schulterachse senkrecht schneidende Achse erkennbar sind.

In F i g. 1 weist der Manipulator an seinem einen Ende eine Greifzange 1 mit zwei Greifbacken 2 und 3 auf. die an einer Hülse 4 befestigt ist, die ihrerseits an einem Kniestück 5 um eine Handgelenkachse 6 verschwenkbar angelenkt ist und sich um ihre eigene Längsachse 7 drehen läßt. Das die Hülse 4 mit der Greifzange 1

tragende Kniestück 5 ist an einem Ende eines Unterarms 8 angebracht, der ein Rohr 9 mit einer Längsachse 10 aufweist, das drehbar in eine am anderen Ende des Unterarms 8 angeordnete zylindrische Hülse 11 eingesetzt ist Die Hülse U ist mit einer Gabel 12 versehen, die sich um eine Ellbogenachse 13 verschwenken läßt, die ihrerseits in einer Gabel 14 gehalten ist, die am Ende eines einen Oberarm 15 für der. Manipulator bildenden Rohres sitzt Der Oberarm 15 trägt etwa in seinem MiMelstück eine Tragklammer 16, die so an der Schulterachse 17 angelenkt ist daß sich der Oberarm 15 selbst und die mit ihm verbundenen Teile des Manipulators unter Steuerung um die Schulterachse 17 verschwenken lassen.

An seinem der Ellbogenachse 13 entgegengesetzten Ende ist der Oberarm 15 verlängert und weist eine Gabel 18 auf, die eine zur Ellbogenachse 13 und zur Schulterachse 17 parallele Schwenkachse 20 trägt, die in der gleichen Ebene liegt wie die Ellboge^achse 13 und die Schulterachse 17. An der Schwenkachse 20 ist ein Tragblock 21 mit einer Anordnung von vier Steuermotoren 22,23,24 und 25 für die Ausführung verschiedener Bewegungen des Manipulators und insbesondere der Greifzange 1 und des Unterarms 8 angelenkt welche Motoren als Elektromotoren oder auch als hydraulische oder pneumatische Motoren ausgebildet sein können. Jeder dieser vier Motoren 22 bis 25 ist mit Untersetzungsgetrieben 26 gekoppelt, von denen in der Zeichnung nur das zum Motor 25 gehörige dargestellt ist, das über seine zur Schwenkachse 20 für den Tragblock 21 parallele Ausgangswelle eine Rolle 27 antreibt in deren Kehlung ein Übertragungsorgan wie ein Kabel, ein Band oder eine Kette läuft, dessen beide antagonistisch laufende Trume die Ausführung der entsprechenden Bewegung im einen oder im anderen Sinne gewährleisten. Die Gesamtheit der Übertragungsorgane von den vier Motoren 22 bis 25 läuft anschließend über eine auf der Schwenkachse 20 sitzende gemeinsame Rolle 28, sodann über zwei am Oberarm 15 (siehe Fig.2) angebrachte weitere Rollen 29 und 30 und schließlich parallel zueinander über eine weitere auf der Ellbogenachse 13 sitzende Rolle 31. Anschließend laufen drei der vier Übertragungsorgane im Unterarm 8 weiter zur Greifzange 1, während die beiden Trume des vierten Übertragungsorgans nach dem Vorbeigang an einer Umlenkrolle 32 an einer transversalen Rolle 33 befestigt sind, die mit dem Rohr 9 des Unterarms 8 fest verbunden ist und dessen Rotation um seine Längsachse 10 bewirkt. Die drei übrigen Übertragungsorgarie bewirken ihrerseits in üblicher Weise die Verschwenkung der Greifzange 1 um die Handgelenkachse 6, ihre Verdrehung um ihre eigene Längsachse 7 und die Schließ- bzw. Öffnungsbewegung ihrer Greifbacken 2 und 3.

In F i g. 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsvariante für einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Manipulators veranschaulicht bei der die von den Motoren 22 bis 25 auf dem Tragblock 21 angetriebenen Übertragungsorgane mit Spannungsdetektoren gekoppelt sind, die eine Messung der durch die während der verschiedenen Bewegungen ausgeübten Drehmomente hervorgerufenen Kräfte ermöglichen. Zu diesem Zweck ist am Ende des Oberarms 15 für jedes Übertragungsorgan, also für jede Bewegung außer den beiden bereits erwähnten Rollen 29 und 30 getrennt davon eine das jeweilige Übertragungsorgan zu einer Schleife 59 ausziehende Flaschenzugrolle 60 angeordnet, die über eine Traggabel 61 mit einem Spannungsdetektor 62 in Verbindung

steht der beiderseits in einer jenseits der Tragplatte 18 für den Tragblock 21 am Ende des Oberarms 15 befestigten Halterung 63 gehalten ist Bei den parallelen, aber entgegengesetzten Bewegungen des Unterarms 8 einerseits und des Tragblocks 21 andererseits, bei denen sich ein bestimmtes Stück des Tragorgans auf die Rolle 31 auf der Ellbogenachse 13 aufwickelt und gleichzeitig ein gleich langes Stück des Tragorgans von der Rolle 28 auf der Schwenkachse 20 abwickelt da die beiden Rollen 28 und 31 mit gleichem Durchmesser gebaut sind, ändert sich die Zugspannung in den beiden antagonistisch laufenden Trumen des Übertagungsorgans durch diese Bewegungen nicht Diese Zugspannung, die sich mit Hilfe einer an der Halterung 63 angebrachten Mutter 64 einstellen läßt und die auf die Traggabel 61 für die Flaschenzugrolle 60 wirkt, wird durch den entsprechenden Spannungsdetektor 62 gemessen. Insbesondere bei Ausübung eines Drehmoments durch einen der Motore 22 bis 25 mißt der entsprechende Spannungsdetektor 62 die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Trumen des entsprechenden Übertragungsorgans, und diese Spannungsdifferenz kann ohne weiteres über die den jeweiligen Motor des Manipulators mit einem von einem Bedienungsmann betreuten Steuerstand verbindende Nachführschleife ausgewertet werden. Angemerkt sei dazu, daß die Untersetzungsgetriebe 26, die mit den einzelnen Motoren 22 bis 25 gekoppelt sind, mit Vorteil so ausgelegt werden können, daß sie die Drehung dieser Motore 22 bis 25 relativ zu der der Rollen 28, 29, 30 und 31, die davon über die Übertragungsorgane mitgenommen werden, in einem zwischen den Werten 5 und 10 liegenden Verhältnis untersetzen, das dem wegen der durch die Nachführschleife festgelegten Bedingungen hinsichtlich Reibung und Trägheit erforderlichen Drehmoment entspricht. Erwähnt sei weiter, daß die verschiedenen Motore vorzugsweise mit Bremsen versehen sind, die eine Beendigung der jeweiligen Elementarbewegung in jedem Augenblick ermöglichen.

Die Vorteile des oben beschriebenen Manipulators lassen sich aus der vorangehenden Darstellung ohne weiteres ersehen: in erster Linie ermöglicht, die seitliche Versetzung der Schulterachse 17 gegenüber dem Oberarm 15 ebenso wie die der Schwenkachse 20 für den Tragblock 21 ohne weiteres die Freigabe eines ausreichenden Volumens für die Verschwenkungen dieses Tragblocks 21 entsprechend denen des Unterarms 8, die von seiner Ausrichtung auf den Oberarm 15 bis zu einer abgeknickten Stellung variieren können, in der dieser und der Unterarm 8 einen Winkel von etwa 30° miteinander bilden.

In Fig.3 ist eine weitere Ausführur.gsvariante für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Manipulator in einem Vertikalschnitt dargestellt, wobei der Manipulator als Ganzes mit der Bezugszahl 71 bezeichnet ist und einen Oberarm 72, einen Unterarm 73 und eine daran angelenkte Greifzange 74 besitzt. Der Unterarm 73 ist an einem Ende des Oberarms 72 an einer Ellenbogenachse 75 angelenkt, während der Oberarm 72 an seinem anderen Ende eine zur Ellbogenachse 75 parallele Achse 76 trägt, an der ein Tragblock 77 mit Motoren 78 angelenkt ist, von denen in der Zeichnung nur zwei siciitbar sind. Die Motore 78, von denen es insgesamt vier gibt, dienen zur Erzeugung von Antriebskräften, dank deren der Unterarm 73 und die Greifzange 74 vier unabhängige Bewegungen, nämlich eine Drehung des Unterarms 73 um seine eigene Achse, eine Verschwenkung der Greifzange 74 relativ ;tum Unterarm 73, eine

Drehung der Greifzange 74 um ihre eigene Achse und schließlich eine Schließ- und Öffnungsbewegung für die Greifbacken der Greifzange 74 ausführen können. Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsvariante ist der Tragblock 77 so gelagert, daß er dem Unterarm 73 und der Greifzange 74 in bezug auf die Schulterachse 79, um die sich der Oberarm 72 des Manipulators verschwenken läßt, ständig das Gleichgewicht hält, auch wenn die Greifzange 74 kein Objekt trägt.

Bei dem nunmehr zu betrachtenden Ausführungsbeispiel wird die Abstützung des Oberarms 72 und der davon getragenen Bauelemente in der Weise gewährleistet, daß sie für den gesamten Manipulator eine Ausgleichsbewegung oder eine transversale Rotation um eine zur Schulterachse senkrechte Achse ohne die Einführung eines um diese Achse wirkenden Rückstellmomentes herbeiführt. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, den um die Schulterachse 79 drehbaren Oberarm 72 mit großem Spiel in das Innere einer zylindrischen Hülse 80 einzubauen, die sich ihrerseits auf Rollenlagern 81 innerhalb eines Trägers 82 verdrehen läßt, wobei die Achse 83 der zylindrischen Hülse 80 die Schulterachse 79 in einem Punkt schneidet, der den Schwerpunkt für das gesamte Gebilde aus Oberarm 72, Unterarm 73 und Tragblock 77 bildet.

Zur Ausführung einer Drehbewegung des gesamten Manipulators um die Achse 83 der Hülse 80 dient mit Vorteil ein fest mit dem Träger 82 verbundener Motor 84 mit Untersetzungsgetriebe, dessen Ausgangswelle ein Kegelrad 85 trägt, das mit einem weiteren Kegelrad 86 kämmt, dessen Achse 87 eine vorzugsweise mit zwei Kehlungen versehene Rolle 88 trägt, die ein Übertragungsorgan wie ein Kabel, ein Band oder eine Kette antreibt, das zu einer fest auf der Außenseite der Hülse 80 sitzenden zweiten Rolle 89 läuft, die in einer zur Achse 83 der Hülse 80 senkrechten Ebene liegt. Der Antrieb der Rolle 89 durch die Rolle 88 über Bänder oder Kabel erfolgt vorzugsweise außerdem und in an sich bekannter Weise unter deren Anordnung gemäß

ίο einer doppelten Schleife mit einem antreibenden und einem antagonistisch dazu laufenden angetriebenen Trum, welche beide Trume in den beiden parallelen Kehlungen der Rollen 88 und 89 laufen.

Damit die Achse 83, um die sich der gesamte Manipulator drehen kann, gewünschtenfalls eine beliebige Richtung erhalten kann und nicht unbedingt horizontal verlaufen muß, die Achse 83 der zylindrischen Hülse 80 also insbesondere mehr oder weniger geneigt werden kann, ist bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Träger 82 mit einer Schwenkachse 90 an einem feststehenden Rahmen 91 angelenkt, an dem ein Motor 92 mit Untersetzungsgetriebe angebracht ist, der über ein Ritzel 93, das mit einem Kegelrad 94 kämmt, eine Schraubenspindel 95 antreibt, die miit einer an einer Verlängerung 97 des Trägers 82 angebrachten Mutter 96 zusammenwirkt. Dank dieser Anordnung kann der Motor 92 die Schraubenspindel 95 in Drehung versetzen, woraus sich eine Kippbewegung für den Träger 82 um die Achse 90 und damit eine Verstellung der Ausrichtung der Achse 93 ergibt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Motorgesteuerter Manipulator, umfassend einen an einer Schulterachse angelenkten Oberarm, an dessen einem Ende über eine Ellbogenachse ein Unterarm angelenkt ist, an dessen freiem Ende eine Greifzange angeordnet ist, die um eine Handgelenkachse schwenkbar und unabhängig von dieser Schwenkbarkeit um ihre Längsachse drehbar ist, wobei sie unabhängig von ihren eigenen Bewegungen betätigbare Greifer aufweist, und wobei am anderen Ende des Oberarmes Gewichtsausgleichsmassen vorgesehen sind, um ein permanentes Gleichgewicht des Oberarmes um die Schulterachse sicherzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberarm (15; 72) über die Schulterachse (17; 79) hinaus entgegengesetzt zur lillbogenachse (13; 75) verlängert ist und mit einer Gabel (18) versehen ist, an der schwenkbar um eine zur Schulterachse (17; 79) parallele Schwenkachse (20; 76) ein Tragblock (21; 77) angelenkt ist, der als Ausgleichsmasse Steuermotoren (22 bis 25) und deren Untersetzungsgetriebe (26) trägt.

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Motoren (22—25) auf dem Tragblock (21) angetriebenen Übertragungsorgane wie Kabel, Bänder oder Ketten mit Spannungsdetektoren (62) gekoppelt sind, die auf einer Verlängerung des Oberarms (15) sitzen und eine Überwachung der im Verlaufe der verschiedenen Bewegungen übertragenen Drehmomente bewirken.

3. Manipulator nach Anspruch :2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdetektoren (62) für jede Bewegung die Differenz zwischen den Kräften an zwei antagonistisch über die Führungsrollen (53 bzw. 56) auf der Ellbogenachse (13) und auf der Schwenkachse (20) für den Tragblock (21) laufenden Übertragungsorganen messen.