DE2722929A1

DE2722929A1 - Fernsteuerbarer manipulator mit kleinem raumbedarf

Info

Publication number: DE2722929A1
Application number: DE19772722929
Authority: DE
Inventors: Claude Moreau; Rene Schreder
Original assignee: BRETAGNE ATEL CHANTIERS
Current assignee: BRETAGNE ATEL CHANTIERS
Priority date: 1976-05-24
Filing date: 1977-05-20
Publication date: 1977-12-15
Also published as: GB1563437A; FR2352640A1; FR2352640B1; SE7705858L; US4188166A

Description

Dipl-ing. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK Dipl.-Ing. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

281134 β FRANKFURT AM MAIN

TELEFON (06IU

287014 GR. ESCHENHEIMER STRA88K3·

17. Mai 1977 Gu/Rb/Pi.

ATELIERS ET CHANTIERS DE BRETAGNE ACB,
Prairie-au-Duc,
44200 Nantes/Frankreich

Fernsteuerbarer Manipulator mit kleinem Raumbedarf

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Die Erfindung betrifft einen fernsteuerbaren Manipulator mit kleinem Raumbedarf.

Die Erfindung findet insbesondere in allen Sachbereichen Anwendung, in denen es erforderlich ist, bei beschränktem Platz aus einer Entfernung her zu arbeiten, sie läßt sich speziell in den Innenräumen von Kanälen in Kernreaktoren anwenden, wo die Operationen darüber hinaus unter einer Wasserschutzschicht vorgenommen werden.

Bei der Überwachung und dem Unterhalt von Kernreaktoren und von Einrichtungen, die um Kernreaktoren angeordnet sind, ist die Verwendung derartiger Manipulatoren erforderlich, die in der Lage sind, in die Innenräume von engen Kanälen zu gelangen, um dort verschiedene Operationen oder Handlungen vorzunehmen. Um ein wirksames Arbeiten zu ermöglichen, müssen derartige Manipulatoren im wesentlichen die gleichen Bewegungen durchführen wie ein menschlicher Arm, und sie müssen im wesentlichen dieselben Freiheitsgrade besitzen, insbesondere müssen Schwenkbewegungen um ihre Längsachsen, Biegungen oder Winkelbewegungen bei den verschiedenen Schwenkstellungen, eine Orientierung der Extremitäten und ein Öffnen oder Schließen der Greifer möglich sein, mit denen derartige Manipulatoren ausgestattet sind. Dabei müssen alle diese Bewegungen fernsteuerbar sein, wodurch die Gegenwart einer Vielzahl von Einrichtungen erforderlich ist, die im Innern der schwenkbar um die Manipulatorarme angeordneten Elemente vorzusehen sind-

Ein erster Typ eines pneumatischen oder hydraulischen Manipulators ist aus der FR-PS 1 500 113/92 845 bekannt, dessen untereinander mittels Kugelgelenken schwenkbar

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verbundene Elemente von Hubzylindern betätigt werden, die längs der genannten Elemente angeordnet sind, wodurch seitliche Vorsprünge gebildet werden, die den Querschnitt der Arme beträchtlich erhöhen. Darüber hinaus ist wegen des relativ begrenzten Hubs der Kolbenstange der Hubzylinder die Winkelauslenkung der Elemente relativ zueinander ziemlich begrenzt.

Darüber hinaus benötigt ein derartiges Gerät Fluide (Wasser, Öl),um die Hubzylinder zu betätigen, was einerseits bei der Verwendung in Kernreaktoren gefährlich sein kann, und was andererseits eine Vielzahl von Leitungsverbindungen jeweils zu den einzelnen vorhandenen Hubzylindern erforderlich macht. Ein weiterer Manipulatortyp, der mechanisch über Zahnradgetriebe gesteuert ist, ist in der PR-PS 1 459 250 beschrieben. Bei diesem bekannten Gerät befinden sich die Zahnradgetriebe oder Zahnräder auf Achsen, die zur Längsachse der aufnehmenden Elemente orthogonal sind; und da die Ritzel notwendigerweise einen großen Durchmesser besitzen, um relativ hohe Kraftmomente übertragen zu können, wird der Raumbedarf in Umfangsrichtung der Arme und die Armlänge relativ groß. Ferner eignet sich die Verwendung von Ritzeln überhaupt nicht zur Herstellung einer guten Dichtigkeit, wodurch dieser Manipulator nicht in Flüssigkeiten, und insbesondere nicht im Wasser von Kanälen von Kernreaktoren arbeiten kann. Die FR-PS 1 508 128 betrifft schließlich das Endwerkzeug eines Manipulators, das drei Elektromotoren enthält, die in dem Armelement angeordnet sind und verwendet werden, um eine Axialverschiebung, eine Drehbewegung und Öffnungs- oder Schließbewegungen der Greiforgane einer Greifzange oder eines Greifers durchzuführen.

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Diese Anordnung ist ziemlich kompakt und weist den größeren Nachteil auf, Ringe zur elektrischen Versorgung zu benötigen, auf denen die Kollektorlamellen schleifen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vielzahl von Geräten in einem beschränkten Raum unterzubringen, um einen fernsteuerbaren Manipulator zu schaffen, der in der Lage ist, die gleichen Bewegungen wie ein menschlicher Arm durchzuführen, wobei der Manipulator unter Einhaltung eines minimalen Raumbedarfs in der Lage sein soll, in sehr enge Kanäle oder Durchgänge einfUhrbar zu sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kombination der sorgfältigst und genauestens ausgewählten Mittel und

gelöst,
deren spezieller Anordnung / wobei die Gesamtanordnung zur Verwirklichung eines fernsteuerbaren, kompakten, genauen Manipulators dient, der bei seinen Abmessungen leistungsfähig ist und speziell in sehr schmalen und engen Räumen wirkungsvoll arbeitet. Der erfindungsgemäße, fernsteuerbare Manipulator, der sich in den Innenraum schmaler Kanäle einführen läßt, enthält im wesentlichen einen Arm, der untereinander schwenkbar verbundene Längselemente aufweist, wobei in jedem der Elemente den einzelnen Schwenkverbindungen zugeordnete Mittel vorgesehen sind, um die Winkelbewegung der Elemente zu steuern. Vorgesehen sind ferner Greiforgane, die am Ende des Endelements des Arms angeordnet sind, vorgesehen sind ferner Einrichtungen zur Betätigung und Ausrichtung dieser Greiforgane, wobei diese Einrichtungen in dem Endelement sitzen. Die Einrichtungen zur Steuerung der Winkel- oder Schwenkbewegung jeder einzelnen Schwenkverbindung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elementen enthalten einen Elektromotor, der in

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Längsachse des Elements ausgerichtet ist, sie enthalten eine Vorrichtung, um die Drehbewegung des Motors in eine Translationsbewegung längs der die Einrichtungen aufnehmenden Elemente umzuwandeln, und sie enthalten eine Transmissionseinrichtung zur Übertragung der Schwenkkräfte zwischen der genannten Vorrichtungen und dem benachbarten Element des Arms.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtanordnung eines erfindungsgemäßen fernsteuerbaren Manipulators;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Zwischenelement des Manipulators;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Endelement.

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße, fernsteuerbare Manipulator besteht aus einem Arm, der aus mehreren länglichen, untereinander schwenkbar verbundenen Elementen, z.B. einem Tragrohr 1, einem Zwischenelement 2 und einem Endelement 3 aufgebaut ist, wobei das Endelement 3 ein Endwerkzeug 4 aufweist, das mit einer Greifzange 5 versehen ist. Der Manipulator kann eine Ausrichtbewegung A durch eine Drehung um die Längsachse des Tragrohrs 1 durchführen, er kann Richtungsänderungen B und C bezüglich der Längsachse durch ein Schwenken der schwenkbar angeordneten Elemente durchführen, er kann eine Drehbewegung D des Endwerkzeugs 4 um die Achse des Endelements 3» und eine

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Öffnungs- und Schließbewegung E der Zangen des GreifWerkzeugs 5 vornehmen.

Die verschiedenen Dreh- oder Schwenkelemente besitzen eine rohrförmige Gestalt, und die zur Steuerung der genannten Bewegungen erforderlichen Einrichtungen sind im Innenraum dieser Elemente angeordnet. Die Elemente 1 und 2 enthalten Motoren 6 und 7, die die Schwenkbewegung durchführen, und das Endelement 3 enthält Motoren 8 und 9, die zur Betätigung des Greifers 4 bzw. zu dessen Ausrichtung oder Orientierung dienen. Alle Motoren 6, 7, 8 und 9 stellen bevorzugt Motoren mit elektrischen Bremsen dar, wobei diese Motoren eine Speisung aus der Entfernung mittels Zuleitungen dünnen Querschnitts möglich machen und eine Genauigkeit beim Anhalten und beim Aufrechterhalten einer Stellung aufweisen, die größer als diejenige von hydraulischen oder pneumatischen Motoren ist. Um darüber hinaus die Anzahl der benötigten Speiseleitungen zu verringern, werden bevorzugt Gleichstrommotoren mit einem Permanentmagneten und mit einer Bremse verwendet, die betätigt wird, wenn der Motor keine Spannung erhält, da derartige Motoren nur zwei Zuleitungen benötigen.

Wie in Fig. 2 dargestellt, besteht das Zwischenelement 2 des Manipulators aus einer aus zwei Teilen 10 und 11 aufgebauten rohrförmigen Hülle, wobei der hintere Teil eine Kappe 12 aufweist, die mit dem Tragrohr 1 schwenkbar verbunden ist und einen Motor 7 mit elektrischer Bremse aufweist , während der vordere Teil 11, der gegen den hinteren Teil 10 zentriert ist, eine Gabel zur Schwenkverbindung mit dem Endelement 3 aufweist und eine Spindel/Mutter-Vorrichtung enthält, die die Drehbewegung der Welle des Motors 7 in eine Translationsbewegung umsetzt, die an ein hohles Gleitstück 15 ^uberfrff§^eA_; VAFiJi₇ Pi^e Spindel 16 der Spindel/

Muttervorrichtung ist auf Wälzlagern 14 im rohrförmigen Teil 11 befestigt, und das Ende der Welle des Motors 7 ist z.B. mittels Nuten drehend mit der Spindel 16 verbunden, während die Mutter 17 der Vorrichtung fest im Innern des längs der Achse des Körpers des Elements 2 längsverschiebbaren Gleitstücks 15, im Vorderteil 11 des Elements sitzt.

Der vordere und der hintere Teil der Hülle des Elements sind mittels einer Schraubhülse 20 miteinander verbunden, und an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Teilen ist ein Ringdichtung 18 vorgesehen. Gleichermaßen ist an der Peripherie des Gleitstücks 15 eine Ringdichtung 19 vorgesehen, wobei die Dichtungen die Dichtheit sicherstellen, und verhindern sollen, daß während im Wasser durchgeführte Arbeiten Wasser eintritt. Die Gabel 13 am vorderen Teil 11 weist parallel zur Achse des Elements verlaufende zweige auf, die jedoch gegenüber der Achse seitlich versetzt sind, und die Gabel 13 sitzt schwenkbar an einer Achse 21 auf einer Kappe 22, die am hinteren Ende des Endelements 3 sitzt, wobei die Schwenkachse 21 senkrecht zu den Längsachsen der Elemente 2 und 3 ist und gegenüber diesen Achsen seitlich versetzt ist.

Die Schwenkung des Arms an der Stelle der Schwenkverbindung zwischen den Elementen 2 und 3 wird durch die Gleitbewegung des Gleitstücks 15 gesteuert, dessen Nase 23 über eine Krafttransmissionseinrichtung mit der Kappe 22 des Elements 3 verbunden ist, wobei die Krafttransmissionseinrichtung Schub- und Zugbewegungen durchführt und einen Hebel 24 aufweist, der in seiner Mitte schwenkbar um eine

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Achse 25 auf der Nase 23 des Gleitstücks sitzt, die Transmissionseinrichtung enthält ferner eine Pleuelstange 26, die einerseits um die von der Gabel 13 getragene Achse 21 schwenkbar ist, und die andererseits um die auf dem Ende des Hebels 24 sitzenden Achse 27 schwenkbar ist, die Transmissionseinrichtung enthält ferner eine Pleuelstange 28, die um die Achse 29 und 30 schwenkbar gelagert ist, die am anderen Ende des Hebels 24 bzw. an der Kappe 22 des Elements 3 angeordnet sind. Die Abstände zwischen den Achsen 21, 27» 29 und 30 sind bevorzugt paarweise derart gleich, daß die genannten Achsen die Ecken eines deformierbaren Parallelogramms bilden, dessen Seitenkanten von dem Hebel 24, den beiden Pleuelstangen 26 und 28 und der Kappe 22 gebildet werden.

Das Endelement 3 nach Fig. 3 enthält eine Hülle aus zwei Teilen 31 und 32, die über eine Schraubhülse 33 verbunden sind, wie das in Verbindung mit dem Zwischenelement

2 beschrieben wurde, wobei der hintere Teil 31 des Elements

3 ebenso wie der dort aufgenommene Motor 8 identisch und mit dem hinteren Teil 10 des Elements 2 und dem dort enthaltenen Bremsmotor 7 sind. Die aus Schraubspindel 34 und Mutter 35 bestehende Einrichtung ist der aus Schraubspindel 16 und Mutter 17 bestehenden Einrichtung des Zwischenelements ähnlich und ist in gleicher Weise mit dem Antriebsmotor verbunden.

Demgegenüber ist der vordere Teil 32 des Elements 3 langer als derjenige Vorderteil des Elements 2, und das Gleitstück 36, das rohrförmig und einstückig mit der Mutter 35 ausgebildet ist, enthält den Bremsmotor 9, der dazu dient, das Endwerkzeug 4 um die Längsachse des Elements 3 zu schwenken. Das Endwerkzeug 4 besteht aus einem ausrichtbaren Tragteil 40, das von einer zentralen Bohrung und

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einem Stift 41 durchquert ist, der gleitend in der Bohrung geführt wird. Der Stift ist an einem Ende mit einer angesetzten Zahnstange 42 versehen, und das Tragteil 40, das die Form einer durch ein zylindrisches Endstück verlänger ten Platte aufweist, trägt auf seiner Plattenfläche die Zweige 50 und 51 des Greifers 5, die auf beiden Seiten der Längsachse des Elements 3 einander gegenüberliegend angeordnet sind.

Die Zweige 50 und 51 des Greifers sind symmetrisch auf der Ebene des Tragteils 40 an Achsen 43 und 44 schwenkbar gelagert, die zueinander parallel, und zur Achse des Elements 3 senkrecht verlaufen, und die beide einen mit einer Zahnung versehenen Wulst aufweisen, wobei diese Zahnungsbereiche 52 und 53 symmetrisch in die axiale Zahnstange 42 eingreifen. Das zylindrische Endteil des Tragteils ist in Wälzlagern 37 in Innern einer Hülse 38 angeordnet, die am freien Ende des vorderen Teils 32 des Elements 3 befestigt ist, und das hintere Ende des Stifts 41 ist z.B. mittels Nuten oder eiiter Keilnutverbindung drehbar mit der Welle des Motors 9 verbunden und wird durch Wälz lager 39 gehalten, die am vorderen Teil des Gleitstücks angeordnet sind, wobei diese Wälzlager 39 die axiale Translationsbewegung des mit dem Gleitstück fest ver bundenen Stifts ermöglichen.

Die vom Motor 9 ausgeübte Drehung des Stifts 41 wird mittels eines Keils 45 auf das Tragteil 40 übertragen, wobei der Keil 45 am Stift 41 befestigt ist und in eine in der Bohrung des Tragteils befindliche Nut 46 eingreift, wo bei diese Nut wesentlich länger als der Keil ausgebildet ist, um die axiale Gleitbewegung des Stifts zu ermöglichen.

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Ringverbindungen 47» 48 und 49 bewirken eine Abdichtung
zwischen der feststehenden Hülse 38 und der rohrförmigen Hülse des Elements 3» bzw. zwischen dem sich drehenden
Tragteil 40 und der Hülse 38, bzw. zwischen dem gleitenden Stift 41 und dem Tragteil 40.

In den Fig. 2 und 3 sind die elektrischen Leitungen, die die Motoren 7, 8 und 9 speisen, durch eine gestrichelte
Linie 54 schematisch dargestellt. Diese Leiter dringen in die rohrförmigen Hülsen oder Körper der Elemente 2 und 3 mittels hinterer Stecker 55 und 56 ein und verlassen die Elemente 1 und 2 im wesentlichen in der Mitte durch eine Stopfbuchse 57, wobei die Kabel zwischen der Stopfbuchse und dem hinteren Stecker des nachfolgenden Elements längs des Elements laufen.

Das Tragerohr 1 ist bis auf dessen hinteres Ende mit dem Zwischenelement 2 identisch, wobei das hintere Ende des
Tragerohrs 1 keine Kappe sondern z.B. einen Gewindeansatz 58 (vgl. Fig. 1) aufweist, der in ein rohrförmiges Verlängerungsstück 59 einschraubbar ist, wodurch es möglich ist, den Schwenkarm des Manipulators tief in das Innere
des Kanals eines Reaktors einzuführen.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen, fernsteuerbaren Manipulators ist folgende:

Die Drehbewegung A wird dadurch erhalten, daß das Tragerohr 1 oder dessen Verlängerungsstück 59 von Hand um
seine Achse gedreht wird. Die Schwenkbewegungen B oder C in Höhe der Schwenkverbindungen zwischen zwei benachbarten

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Elementen resultieren von einer Drehung der Welle der Motoren 6 oder 7, wobei diese Drehbewegungen durch Zwischenschaltung der Schraubspindel/Muttereinrichtungen eine Gleitbewegung des Gleitstücks in der Hülse des entsprechenden Elements hervorrufen. An der Schwenkverbindung zwischen den Elementen 2 und 3 ruft z.B. die Verschiebung der Nase 23 des Gleitstücks 15 die Schwenkbewegung des Hebels 24 um die Achse 25 hervor, da die Achse 27 mittels des Pleuels 26 in konstantem Abstand von der Achse 21 gehalten wird. Hieraus folgt eine Verschiebung der Achse 29 in Vorwärtsoder in Rückwärtsrichtung, wodurch die Achse 30 mittels der Pleuelstange 28 bewegt wird und die Kappe 22 und das Element 3 um die feste Achse 21 schwenkt. Aufgrund dieses Schwenkmechanismus sind die radialen Reaktionskräfte auf die Nase des Gleitstücks relativ schwach, wodurch der Verschleiß zwischen dem Gleitstück 15 und dem Teil 11 der Hülse des Elements beträchtlich verringert wird und eine gute Dichtheit erhalten bleibt, wobei dieser Schwenkmechanismus eine Verringerung des Hubs des Gleitstücks und folglich eine Verringerung des Platzbedarfs in Längsrichtung des Geräts ermöglicht.

Die Schwenkbewegung D des Endwerkzeugs 4, betreffend die Drehung des Greifers 5, wird durch die Drehbewegung der Welle des Motors 9 gesteuert, die das drehbare Trageteil 40 über den Stift 41 und seinen Keil 45 antreibt, und die Betätigung E der Zweige des Greifers 5 wird durch die Drehbewegung der Welle des Motors 8 erzeugt, die das Gleitstück 36 mittels der Schraubspindel/Muttereinrichtung 34, 35 axial verschiebt, wobei das Gleitstück den Motor 9 und den Stift 41 verschiebt, dessen Zahnstange die mit Zahnung versehenen Bereiche 52, 53 in eine Schwenkbewegung versetzt und auf diese Weise die Zweige 50 und 51 des Greifers betätigt. 709850/0788

Claims

Patentansprüche:

1. Fernsteuerbarer Manipulator, der in den Innenraum enger Kanäle einführbar ist und im wesentlichen aus einem Arm besteht, der mehrere längliche, und untereinander schwenkbar verbundene Elemente aufweist, wobei in jedem Element den einzelnen Schwenkverbindungen zugeordnete Einrichtungen zur Steuerung der Schwenkbewegung enthalten sind, mit drehbaren GreifOrganen, die am Ende des Endelements des Arms angeordnet sind, und mit in dem Endelement angeordneten Einrichtungen zur Betätigung und zur Drehung der Greiforgane,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (7, 15, 16, 17, 13, 21 bis 30) zur Steuerung der Schwenkbewegung der Schwenkverbindungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elementen (1, 2, 3) einen Elektromotor (6, 7), der längs der Längsachse des Elements (1, 2) ausgerichtet ist, eine Vorrichtung (15, 16, 17) zur Umwandlung der Drehbewegung des Motors in eine Translationsbewegung längs der Achse des Elements (1, 2), das die Einrichtungen (7, 13, 15, 16, 17, 21 bis 30) aufnimmt, und eine Transmissionseinrichtung (13» 21 bis 30) enthalten, die die Schwenkkräfte zwischen der Vorrichtung (14, 16, 17) und dem benachbarten Element (2, 3) überträgt.

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ORIGINAL INSPECTED

Fernsteuerbarer Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionseinrichtung (13» 21 bis 30) zur Übertragung der Schwenkkräfte mindestens einen Hebel ( 24 ) aufweist, der schwenkbar auf dem bei der Verschiebung beweglichen Teil (15» 17) der Vorrichtung (15, 16, 17) zur Bewegungsumwandlung angeordnet ist, daß mindestens eine Pleuelstange (26, 28) an einem Ende des Hebels (24) schwenkbar um die Schwenkachse zwischen zwei benachbarten Elementen (1, 2, 3) angeordnet ist, und daß mindestens eine Pleuelstange (26, 28) schwenkbar um das andere Ende des Hebels (2A) angeordnet ist und mit dem Element (3) verbunden ist, das diese Schwenkeinrichtungen nicht aufweist.

Fernsteuerbarer Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (8, 9, 34, 35 bis 49) zur Betätigung und Drehung der Greiforgane (50, 51) einen ersten Motor (8), eine Vorrichtung (34, 35) zur Umsetzung der Drehbewegung des Motors (8) in eine Translationsbewegung längs der Achse des Endelements (3), einen zweiten, mit dem verschiebbar beweglichen Teil (35) der Vorrichtung (34, 35) fest verbundenen Motor (9), und ein Endwerkzeug (4, 5» 50, 51) aufweisen, daß das Endwerkzeug (4) einen sich drehenden Teil (40), auf dem die Greif organe (50, 51) angeordnet sind, und einen zweiten gleitenden Teil (36) umfaßt, der mit dem zweiten Motor (9) verbunden ist und die Greiforgane (50, 51) betätigt.

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4. Fernsteuerbarer Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermotoren (6, 7, 8, 9) als Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten und elektrischen Bremsen ausgebildet sind.

5. Fernsteuerbarer Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (16, 17; 34, 35) zur Umwandlung der Drehbewegung der Motoren in Translationsbewegungen als Gewindespindel/Muttersysteme ausgebildet sind.

6. Fernsteuerbarer Manipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Motor (8) die Gewindespindel eines Gewindespindel/Muttersystems (34, 35) in Drehbewegung versetzt, daß die Mutter (35) ein längs der Achse des Endelements (3) verschiebbar geführtes Gleitstück verschiebt, daß das Gleitstück (36) hohl ausgebildet ist und den zweiten Motor (9) aufnimmt, der die Drehbewegung des Endwerkzeugs (4) durchführt.

Der Patentanwalt:

Dr. D./Gudel

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