DE2703793C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen biegsamen Roboterarm, dessen aufeinan­ derfolgende Armteile gelenkig miteinander verbunden und bewegungs­ gekoppelt sind.

Bei Industrierobotern oder ferngesteuerten Manipulatoren ist es insbes. bei derartigen programmierbaren Robotern oder Manipulatoren, mit denen menschliche Bewegungen kopiert werden sollen, beispielsweise bei Farbspritzanlagen, Schweißmaschinen o. dgl. bekannt, die gewünsch­ ten Werkzeugbewegungen mit Hilfe starrer Roboterarme auszuführen, welche derart ausgebildet sein können, daß sie Dreh- und Schwenk­ bewegungen in jede Richtung ausführen können und evtl. auch trans­ latorische Bewegungen. Dabei können derartige Roboterarme auch mit verdrehbaren oder verschwenkbaren Werkzeughaltern ausgerüstet sein.

Derartige Roboterarme können für viele praktische Anwendungen eine durchaus ausreichende Bewegungsfreiheit erreichen, jedoch besteht in bestimmten Fällen das starke Bedürfnis, einen der­ artigen Arm biegsam auszubilden, so daß er mehr oder weniger stark gekrümmt werden kann, beispielsweise zu einem Kreisbogen, und zwar vorzugsweise in allen Ebenen durch die Achse des Armes, wobei nach Möglichkeit diese Krümmung des Armes mit einer Drehbewegung um diese Armachse kombiniert werden sollte.

Einen Roboterarm der eingangs beschriebenen Gattung zeigt die US-PS 35 80 099, insbes. Fig. 1. Die aufeinanderfolgenden Armteile dieses Roboterarms sind um jeweils gleichgerichtete Gelenkachsen gegeneinan­ der verschwenkbar. Zusätzliche Kopplungslenker sind vorgesehen, die die Bewegungen der aufeinanderfolgenden Armteile koppeln. Dieser Ro­ boterarm kann nur in einer Richtung gekrümmt oder gebogen werden. Das gilt grundsätzlich auch für die Ausführung nach Fig. 6 der US-PS 35 80 099, bei der die Gelenkachsen aufeinanderfolgender Armteile zwar gegeneinander verdreht sind, bei der aber dennoch keine beliebigen räumlichen Bewegungen oder Biegungen ausgeführt werden können, son­ dern nur solche, die durch die Geometrie und die Verteilung der Ge­ lenkachsen vorgegeben sind.

Ein anderer Roboterarm ist in der DE-OS 15 31 252 beschrieben. Die­ ser Arm läßt sich zwar in beliebige räumliche Richtungen biegen oder ausrichten, die gegenseitige Kopplung der Armteile erfolgt aber hy­ draulisch, pneumatisch, elektrisch oder elektromagnetisch. Die Biege­ kräfte werden von außen durch Seilzug eingeleitet. Die Biegbarkeit ist von der Anzahl der Seile abhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in alle Richtungen biegbaren Roboterarm anzubieten, bei dem die Biegekräfte auf einfache Weise durch Linearkräfte von außen eingeleitet werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Armteile nach Art von Kettengliedern geformt und verkettet, über Kreuzgelenke miteinander verbunden und über Kugelgelenke zwischen aufeinanderstoßenden Arm­ teilen aneinander abgestützt sind, wobei ein erstes Armteil über ein Kreuzgelenk an eine Antriebseinrichtung angeschlossen ist.

Der erfindungsgemäße Roboterarm arbeitet mit mechanischer Kupplung durch Kreuzgelenke, wobei allerdings die Armteile in besonderer Weise ausgebildet sind, nämlich nach Art von Kettengliedern, und auch dem­ entsprechend miteinander verkettet sind. Dementsprechend kann der Roboterarm in alle Richtungen gebogen werden, wobei der Verformungs­ zustand des Roboterarms in jedem Betriebszustand einerseits durch die Verbindung über Kreuzgelenke und andererseits über die gegenseitige Abstützung an Kugelgelenken definiert ist. Deswegen genügt eine am ersten Armteil angreifende Antriebseinrichtung zur Einleitung der ge­ wünschten Biegekräfte.

Wenn daher das erste Armteil durch die Antriebseinrichtung um einen gegebenen Winkel verschwenkt wird, ergibt sich für jedes der an­ schließenden Armteile eine Verschwenkung um einen entsprechenden Winkel, so daß der Roboterarm die Form eines Bogens einnehmen kann, der, wenn alle Armteile identisch sind, ein Kreisbogen ist.

Die Gelenkverbindung des an das erste Armteil anschließenden Armtei­ les mit dem Angelpunkt an der Antriebseinrichtung sowie die Gelenk­ verbindungen zwischen den äußersten Enden der mit dem gleichen Zwi­ schenglied verbundenen Armteile sind durch aneinander anliegende ge­ krümmte Flächen gebildet. Diese gekrümmten Flächen sind als Kugel­ flächen ausgebildet und weisen Rippen auf, um zu verhindern, daß diese Kugelflächen außer Eingriff geraten.

Um sicherzustellen, daß unabhängig von der Biegebewegung des Armes eine Drehbewegung erzielbar ist, kann das mit der Antriebseinrichtung verbundene erste Armteil an einer von der Antriebseinrichtung verdreh­ baren Welle angelenkt sein. Um die Antriebskraft der Antriebseinrich­ tung an das anschließende Armteil unabhängig von der Drehung dieser Welle zu übertragen, ist außerdem um die Drehverbindung zwischen dem ersten Armteil und der Antriebseinrichtung ein Antriebsring ver­ schiebbar angeordnet, welcher seinerseits vorzugsweise mit wenigstens einem hydraulischen oder pneumatischen Antriebszylinder verbunden ist.

Gewöhnlich werden zwei Antriebszylinder verwendet, um voneinander unabhängige Biegebewegungen oder Krümmungen des Armes in indivi­ duell einander zugeordneten, vorzugsweise orthogonal zueinander ver­ laufenden Ebenen zu erreichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, welche ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung zeigt.

Der dargestellte Roboterarm besitzt vier Armteile 1, 2, 3 und 4, welche als Kettenglieder ausgebildet und miteinander verbunden sind. Außer­ dem ist das Armteil 1 mit dem Armteil 2 durch ein Kreuzgelenk H ver­ bunden und ebenso das Armteil 2 mit dem Armteil 3 durch ein Kreuz­ gelenk L, während das Armteil 3 mit dem Armteil 4 durch ein gleich­ artiges Kreuzgelenk verbunden ist. Ein weiteres Kreuzgelenk C ist als Gelenkverbindung des Armteiles 1 mit der Welle B der Antriebseinrich­ tung vorgesehen, welche bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Gehäuse A für die Wellenlagerung dargestellt ist.

Wie die Zeichnung außerdem zeigt, stößt das äußerste Ende des Arm­ teils 2 verschwenkbar im Angelpunkt J an das Ende der Welle B, wäh­ rend die aneinander anstoßenden Enden der Armteile 1 und 3 einander in einem entsprechenden Angelpunkt B berühren. Ein gleicher Berüh­ rungs- und Angelpunkt für eine verschwenkbare Verbindung zwischen den Armteilen 2 und 4 ist ebenfalls in der Figur dargestellt.

Das Armteil 1 kann in beliebiger Richtung gegenüber dem Drehpunkt D unter Betätigung von zwei Linearantriebszylindern verschwenkt wer­ den, deren jeder an einem zugeordneten Betätigungszapfen E bzw. F eines Antriebsringes G angreift, welcher um das Kreuzgelenk C und das Armteil 1 herum verdrehbar angeordnet ist, um an dieses Armteil unabhängig von einer möglichen Verdrehung der Welle B eine geeig­ nete Kraft zu übertragen.

Die Verschwenkung des Armteils 1 ruft eine Winkelverschiebung seiner Kreuzgelenkverbindung mit dem anschließenden Armteil hervor, so daß auch dieses Armteil 2 verschwenkt oder abgewinkelt wird. Das rück­ wärtige Ende des Armteils 2 schwenkt infolgedessen um das Ende der Welle B, d. h. den Angelpunkt J, wodurch dieses Armteil 2 gegenüber dem Armteil 1 verschwenkt oder abgewinkelt wird. Diese Winkelverschie­ bung des Armteils 2 wird anschließend über das Kreuzgelenk L an das Armteil 3 übertragen, so daß auch dieses Armteil 3 gegenüber dem Arm­ teil 2 um den Angelpunkt M verschwenkt oder abgewinkelt wird. Auf diese Weise wird jedes Armteil in der gleichen Richtung gegenüber dem vorhergehenden Armteil abgewinkelt und der Arm im Ganzen zu einem Bogen gekrümmt.

Wenn die einzelnen Armteile und ihre gegenseitigen Verbindungen iden­ tisch sind, wird der Arm zu einem Kreisbogen gekrümmt. Die für einen Arm erzielbare größtmögliche Biegung oder Krümmung hängt von der Anzahl der Armteile und der Ausbildung der Verbindungen zwischen denselben ab. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann das erste Armteil 1 gegenüber der Welle B um 11° abgewinkelt werden, während jedes der nachfolgenden Armteile gegenüber seinem vorher­ gehenden Armteil um 34° abwinkelbar ist. Um daher eine Winkelver­ schiebung von insgesamt 180° für einen Roboterarm der dargestellten Ausbildung zu erreichen, muß dieser Arm fünf Armteile zusätzlich zu dem mit der Welle verbundenen Armteil aufweisen (5 × 34° = 170° + 11° 180°). Das äußerste Ende des Armes kann dann in Richtung der Antriebseinrichtung des Roboterarmes nach hinten weisen.

Bei einer Verdrehung des ersten Armteiles mittels der Welle B wird die Drehbewegung von Armteil zu Armteil durch die dazwischen liegen­ den Kreuzgelenke übertragen, und zwar unabhängig von der gegensei­ tigen Winkelverschiebung der Armteile.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Angelpunkte J und M aus aneinander anstoßenden Kugelflächen. Diese Kugelflächen sind mit Rippen bestückt, um zu verhindern, daß sie auseinander­ gleiten können oder voneinander abrutschen. Andererseits sind natur­ gemäß auch andere Ausführungen dieser Angelpunkte, wie beispielsweise in Form von Kugelzapfen und Kugelpfanne o. dgl. möglich.

Claims (9)

1. Biegsamer Roboterarm, dessen aufeinanderfolgende Armteile gelenkig miteinander verbunden und bewegungsgekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Armteile (2, 3, 4) nach Art von Kettengliedern geformt und verkettet, über Kreuzgelenke (H, L) miteinander verbunden und über Kugelgelenke (M) zwischen aufeinan­ derstoßenden Armteilen aneinander abgestützt sind, wobei ein erstes Armteil (1) über ein Kreuzgelenk (C) an eine Antriebseinrichtung (A, G) angeschlossen ist.

2. Roboterarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Armteil (1) des Armes derart verschwenkbar mit einer Welle (B) ver­ bunden ist, daß der Arm unabhängig von seiner Krümmung durch die Antriebseinrichtung (A) verdrehbar ist.

3. Roboterarm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreuzgelenk (C) einen um es herum verschiebbaren Antriebsring (G) trägt und durch diesen die Antriebskraft unabhängig von der Drehung der Welle (B) an das erste Armteil (1) des Armes von der Antriebseinrichtung (A, G) übertragbar ist.

4. Roboterarm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gelenkverbindung des an das erste Armteil (1) an­ schließenden Armteils (2) mit dem Angelpunkt (J) an der Antriebsein­ richtung (B) ebenso wie die Gelenkverbindungen (M) zwischen den äußersten Enden mit dem gleichen Zwischenglied verbundener Armteile aus aneinander anstoßenden gekrümmten Flächen besteht.

5. Roboterarm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ge­ krümmten Flächen Rippen aufweisen und dadurch ein Auseinandergleiten verhinderbar ist.

6. Roboterarm nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmten Flächen als Kugelflächen ausgebildet sind.

7. Roboterarm nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebseinrichtung (A, G) wenigstens einen hydrau­ lischen oder pneumatischen Antriebszylinder zwecks Krümmung des Armes aufweist.

8. Roboterarm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ triebseinrichtungen (A, G) zwei Antriebszylinder aufweist, durch welche voneinander unabhängige Krümmungen des Armes in individuell zuge­ ordneten, vorzugsweise orthogonalen Ebenen erzielbar sind.

9. Roboterarm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge­ lenkverbindungen der einzelnen Armteile (1, 2, 3, 4) untereinander derart ausgebildet sind, daß bei einer Verdrehung des ersten Armtei­ les (1) durch die Welle (B) diese Drehbewegung an alle übrigen Arm­ teile übertragbar ist.