DE2831361A1

DE2831361A1 - Roboter

Info

Publication number: DE2831361A1
Application number: DE19782831361
Authority: DE
Inventors: Jacques Coindet; Paul Romand
Original assignee: Crouzet SA
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1977-07-19
Filing date: 1978-07-17
Publication date: 1979-02-01
Also published as: IT7825673A0; FR2398347B1; FR2398347A1; GB2002716A; IT1097149B; GB2002716B; US4218173A

Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · C <3C0 ESSZN 1 · AM RUHRSTEIN 1 · TEL.: (02 01) 4126 £;ite - >-- C 61

CROUZET societe anonyme francaise 128 avenue de la Republique, 75011 Paris, Frankreich

Roboter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Roboter mit einer Kette von paarweise verbundenen Gliedern, die unter Steuerung eines Rechners durch motorische Mittel relativ zueinander bewegbar sind, wobei jedes der Glieder ein letztes Ausgangsglied der Kette in einer Bewegung mitnehmen kann, die von den Rechner steuernden Steuermitteln bestimmt ist.

In vielen Branchen werden laufend Roboter zur Erfüllung gewisser Funktionen benutzt, so beispielsweise bei sich wiederholenden Funktionen, die besonders einfach und zuverlässig von einer automatischen Einrichtung erfüllt werden können, und bei einer Funktion, die in einer schädlichen oder für den Menschen unzugänglichen Umgebung ausgeführt werden muß (Manipulationen von gefährlichen Produkten, radioaktiven Produkten, Probennahmen auf einem Planeten). Bei der überwiegenden Zahl der Anwendungsfälle hat jeder Roboter eine besondere Aufgabe zu lösen, und beim gegenwärtigen Technologie-

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stand findet man die Mittel zur Lösung aller besonderen Probleme.

Generell sind die Roboter durch eine Kette mehrerer untereinander gelenkig verbundener Organe gebildet, wobei jeder Anlenkpunkt motorische Mittel zur Steuerung der Relativbewegung von zwei Organen oder Gliedern und Steuermittel, beispielsweise einen Kodierer enthält. Ein zentraler Rechner nimmt die Informationen der Kodierer auf und steuert die motorischen Mittel zur Ausführung der gewünschten Arbeitsbewegungen des Roboters.

Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß sie die beweglichen. Teile schwerfällig macht. Bei Robotern hoher Leistung zum Bewegen schwerer Lasten ist dieser Nachteil von untergeordneter Bedeutung, da die Gewichte der motorischen Mittel gegenüber der zu bewegenden Last vernachlässigbar bleiben. Von schwerwiegender Bedeutung ist dieser Nachteil jedoch für kleine Roboter, die zum Manipulieren von einigen Gramm schweren Teilen auf kleinem Raum bestimmt sind. Die Gewichte und der Platzbedarf der motorischen Mittel und der Kodierer stehen daher in keinem angemessenen Verhältnis zu denjenigen der zu bewegenden Teile und Lasten sowie zu dem zur Verfügung stehenden Raum.

Mit der Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, den Roboter so zu verbessern, daß die zuvor geschilderten Nachteile weitgehend ausgeräumt werden.

Ausgehend von dem Roboter der eingangs angegebenen Art, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß an dem Roboter ein einziger Motor, der selektiv über eine vom Rechner gesteuerte Auswahleinrichtung jedes der bewegbaren Glieder getrennt betätigt, und ein einziger Steuerkodierer zur selektiven Bestimmung der Bewegung der beweglichen Glieder vorgesehen sind. Aufgrund dieser An-

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Ordnung sind Gewicht und Bauvolumen der motorischen- und Kodiermittel des Roboters auf die eines Einzelmotors und eines Einzelkodierers beschränkt.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß jedes bewegliche Glied einerseits eine in dessen Ruhestellung wirksame elastische Rückholvorrichtung und andererseits eine Feststellvorrichtung aufweist, die zwischen zwei beweglichen und miteinander verbundenen Gliedern wirksam ist. Die Feststellvorrichtung kann vom Rechner derart gesteuert werden, daß alle beweglichen Glieder mit Ausnahme dessen blockiert werden, dessen Relativstellung beim Programmablauf unter Wirkung des Motors gegenüber dem mit ihm verbundenen beweglichen Glied geändert werden soll.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung zum Rückholen aller beweglichen Glieder in deren Ruhestellung durch ein Motordrehmoment gebildet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht auf ein

Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Roboters, der zum Manipulieren von Teilen dient, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Roboter gemäß Fig. 1.

In den Figuren 1 und 2 ist ein Roboter dargestellt, der eine Folge willkürlich begrenzter Operationen auszuführen hat. Ein Greifglied zum Erfassen von Gegenständen wird durch Schwenken um eine Achse orientiert und von einem durch seine Polarkoordinaten definierten -Ausgangspunkt zu einem anderen Punkt mit anderen Polarkoordinaten bewegt.

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Ein ebener Horizontalträger 1 ist über eine Vertikalstütze la am Boden befestigt und bildet das Trägergestell des Roboters.

Der Träger 1 haltert eine vertikale Welle 2, die in einem Lager Ib. gelagert ist. Am inneren Ende der Welle 2 ist eine Fußplatte 3 befestigt, an der zwei Arme 4 bzw. 5 über Zapfen 3a bzw. 3b angelenkt sind. Zwei weitere Arme 6 und sind mit einem ihrer Enden an den Armen 4 und 5 schwenkbar gelagert und sind mit ihren anderen Enden jeweils über Zapfen 8a und 8b. mit einer Platte 8 verbunden..

An der Platte 8 ist ein Lager 8c zur Lagerung einer vertikalen Welle 9 befestigt. Am inneren Ende der vertikalen Welle 9 ist das Greifglied, beispielsweise ein Elektromagnet angebracht.

Die beiden Arme 4 und 5 tragen miteinander kämmende Zahnsektoren 4a und 5a, und die beiden Arme 6 und 7 sind mit ineinandergreifenden Zahnsektoren 6a und 7a versehen. Man erkennt daher ein veränderbares Parallelogramm, dessen die Achsen bzw. Wellen 9 und 2 schneidende Diagonale um die Achse 2 drehbar ist und einen Radiusvektor variabler Länge 9 darstellt.

Die Achse bzw. Welle 9 deren veränderlicher Abstand von der Achse bzw. Welle 2 gleich <J ist und die um eine durch die Achse 2 gehende Ursprungsgerade um einen Winkel ö gedreht werden kann, hat eine Lage in einer Horizontalebene, die durch die Polarkoordinaten (<J, Θ) mit einem durch die Achse 2 verlaufenden Ursprung definiert werden kann.

Die Welle 9 ist drehbar und im Gegenuhrzeigersinn von einer Feder 11 bis zu einer Ursprungsposition des Rotationswinkels dl der Achse 9 elastisch vorgespannt. In dieser Ursprungs-

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position befindet sich ein in Querrichtung auf der Achse 9 fester Stift 9a in Anlage an einen Stift 8d, der in der Platte 8 befestigt ist und parallel zur Achse bzw. Welle 9 verläuft. Die Feder 11 ist um das Lager 8c geschlungen und an ihren Enden mit den Stiften 9a und 8d verbunden.

Die Welle 9 ist drehfest mit einer Scheibe 9e verbunden, die auf der Fußplatte 8 ruht. Eine Bremsbacke 12, die von einer Magnetspule 12a betätigt wird, ermöglicht die Abbremsung und Stillsetzung der Welle 9 in einer beliebigen Winkels tellung.

Die Welle 9 ist ferner drehfest mit einer Trommel 9f verbunden, auf der das eine Ende eines Seils 13 mit mehr als einer Windung aufgewickelt und befestigt ist, so daß ein Zug am Seil 13 die Welle 9 im Uhrzeigersinn entgegen der Kraft der Rückholfeder 11 dreht, wenn die Bremse 12 nicht ' festgestellt ist.

Eine Feder 14 sucht die beiden Arme 4 und 5 soweit zusammenzuziehen, daß zwei Anschläge 4b und 5b an den Armen 6 und zusammenstoßen. Auf diese Weise läßt sich eine Bezugslänge 9 für den Abstand zwischen den Achsen bzw. Welle 2 und 9 definieren. Wenigstens eines der Gelenke des Parallelogramms 4, 5, 6, 7 (in der Figur 2 der Gelenkpunkt zwischen den Armen 4 und 6) kann durch eine Bremsbacke 15 zur Festlegung des Werts von <f blockiert werden. Der Arm 6 ist im Bereich der Schwenkachse soweit erweitert, daß eine Scheibe 6b gebildet wird, an der die von einer Magnetspule 15a betätigte Bremsbacke 15 angreifen kann, um den Arm 6 gegen den Arm 4 zu sperren.

Die Welle 2 ist mit einer Scheibe 2a fest verbunden, die in einer beliebigen Stellung des Winkels Q mit Hilfe einer von einem Elektromagneten 16a betätigten Bremsbacke 16 ab-

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gebremst und blockiert werden kann. Eine Feder 17 drängt die Welle 2 im Gegenuhrzeigersinn elastisch in eine den Ursprungspunkt des Winkels θ bildende Stellung, in der ein an der Scheibe 2a befestigter Zapfen 2b gegen einen mit dem Träger 1 festen Zapfen Ic stößt.

Die Welle 2 trägt eine frei drehbare Trommel 18, die in derselben Horizontalebene wie die Trommel 9f gelagert ist und vom Seil 13 wenigstens einmal voll umschlungen wird.

Eine Antriebstrommel 19 ist in derselben Antriebsebene wie die Trommeln 9f und 18 auf einer Welle 20a eines am Träger 1 gehalterten Kodierers 20 angeordnet. Der Kodierer 20, der bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel so ausgebildet ist, daß er eine Anzahl von Impulsen entsprechend dem gewünschten Drehwinkel (Θ oder A) abgibt, wird von einem Untersetzungsmotor 21 gesteuert. Die Trommel 19 nimmt das . Seil 13 auf, das mit einem Ende mehrmals um die Trommel gewickelt und an einem Haken 19a befestigt ist.

Die Funktionsweise des beschriebenen Roboters ist wie folgt: Orientierung des Greifglieds 10:

Die Bremsen 15-I5a und 16-I6a sind festgestellt, die Bremse 12-12a ist gelöst und der Motor 21 ist derart betätigt, daß er im Uhrzeigersinn umläuft. Dabei wird das Seil 13 auf die Trommel 19 aufgewickelt und dreht die Freilauftrommel 18 und die Trommel 9f. Das Greifglied 10 wird im Uhrzeigersinn um einen Winkel d, gedreht, der eine Funktion der vom Kodierer 20 abgegebenen Impulse sowie des Durchmesserverhältnisses der Trommeln 19 und 9f ist.

Ab einer von der Ruhestellung (d· = Q) abweichenden Stellung führt eine Drehbewegung des Motors 21 im Gegenuhrzeigersinn zu einer Änderung des Winkels <L unter Einfluß der Rückhol-

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feder 11 entgegen dem Uhrzeigersinn, und zwar um ein Maß, das proportional zur Anzahl der vom Kodierer 20 abgegebenen Impulse ist.

Änderung des Radiusvektors 9^:

Während die Bremsen 12-12a und 16-I6a festgestellt sind, die Bremse 15-I5a gelöst ist und der Motor 21 in Uhrzeigerrichtung gedreht wird, zwingt das Seil 13 das durch die Arme 4, 5, 6 und 7 gebildete Parallelogramm zu einer Deformation unter Verkürzung der Länge Q zwischen den Achsen bzw. Welle 9 und 2, wobei die Änderung der Länge ^ eine lineare Funktion der während der Drehung vom Kodierer 20 abgegebenen Impulszahl ist.

Ab einer von der Ruhestellung ($^=<?r^ abweichenden Stellung ruft eine Drehung des Motors 21 im Gegenuhrzeigersinn unter Einfluß der Feder 14 eine Verlängerung von <J als lineare Funktion der Anzahl der vom Kodierer 20 abgegebenen Impulse hervor.

Änderung das Pol winkeis Θ:

Während die Bremsen 12-I2a und 15-I5a festgestellt sind, die Bremse 16-I6a gelöst ist und der Motor 21 im Uhrzeigersinn dreht, wird die Parallelogrammanordnung 4, 5, 6, 7 im Uhrzeigersinn um einen Winkel θ gedreht, der eine Funktion der Anzahl der vom Kodierer 20 abgegebenen Impulse und des Durchmesserverhältnisses der Trommeln 19 und 18 ist.

Ab einer von der Ursprungsposition (0=0) abweichenden Position, wenn der Motor 21 im Gegenuhrzeigersinn dreht, ändert sich der Winkel © unter Einfluß der Rückholfeder im Gegenuhrzeigersinn, wobei die Drehbewegung eine lineare Funktion der Anzahl der vom Kodierer 20 abgegebenen Impulse ist.

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Es ist zu erkennen, daß die Achse 9 mit dem Greifglied des beschriebenen Roboters nacheinander alle Punkte erreichen kann, deren Polarkoordinaten vorausprogrammiert wurden oder durch einen Rechner angegeben werden. Außerdem kann das Greifglied 10 an jedem durch die Polarkoordinaten bestimmten Punkten derart orientiert werden, daß es ein an dner vorgegebenen Stelle befindliches Teil aufnehmen oder in einer gewünschten Orientierung absetzen kann.

Die Erfindung ist nicht auf die spezielle Ausführungsform gemäß der Darstellung in den Figuren 1 und 2 beschränkt· Das Ausführungsbeispiel läßt sich in vielfacher Weise variieren.

So kann beispielsweise das Parallelogramm 4, 5, 6 und 7 durch eine mit der Welle 2 verbundene Gleitführung und ein die Welle 8 tragendes Gleitstück ersetzt werden.

Bei einer anderen Abwandlung können die Rückholfedern 11 und 17 durch ein mit dem Seil 13 übereinstimmendes Seil 13' ersetzt werden, das gegensinnig auf die Trommeln 9f und 18 aufgewickelt ist und an einer Trommel 19' endet, die mit einem im Gegenuhrzeigersinn wirksamen Kupplungsmotor 21' verbunden ist. Diese Anordnung ermöglicht die Unterbrechung des Kupplungsmotors 21' während der Drehbewegung des Motors 21 im Uhrzeigersinn, so daß der Motor 21 auf diese Weise nicht die Rückholwirkung zu überwinden hat.

Die Elemente 13», 19', 21' sind in Fig. 2 schematisch gestrichelt dargestellt.

Bei einer anderen Abwandlung können der Motor 2l und der Kodierer 20 durch einen Schrittmotor ersetzt werden, der bei jeder der aufeinanderfolgenden Operationen,

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Drehung <jL der Welle 9, Änderung von^¹, Drehung θ der Welle 2, die vom Programm festgelegte Anzahl von durch einen Taktgeber abgegebenen Impulsenaufnimmt.

Zur Vereinfachung der Erläuterung wurde die vorstehende Beschreibung auf ein in zwei Richtungen bewegliches System beschränkt; es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch auf eine Vorrichtung anwendbar ist, die in mehr als zwei Richtungen beweglich ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · D 1300 ESSEN 1 · AM RUHR3TEIN 1 - TEL.: (02 01) 4126 Saite _ ^-

Patentansprüche

==SB===E=S===S

Roboter mit einer Kette von paarweise verbundenen Gliedern, e unter Steuerung eines Rechners durch motorische Mittel relativ zueinander bewegbar sind, wobei jedes der Glieder ein letztes Ausgangsglied der Kette in einer Bewegung mitnehmen kann, die von den Rechner steuernden Steuermitteln bestimmt ist, dadurch gekennzeich net, daß an dem Roboter ein einziger Motor (21), der selektiv über eine vom Rechner gesteuerte Auswahleinrichtung jedes der bewegbaren Glieder (2 ... 9) getrennt betätigt, und ein einziger Steuerkodierer (20) zur selektiven Bestimmung der Bewegung der bewegbaren Glieder vorgesehen sind.
2. Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der bewegbaren Glieder (2 ... 9) durch eine Rückholvorrichtung (17, 15, 11) in einer durch Kontakt zweier Anschläge (2b, Ic, 4b, 5d, 9a, 8d) begrenzten Ruhestellung gehalten ist und von dem Motor (21) zwangsweise in einer der Wirkung der Rückholvorrichtung entgegengesetzten Richtung selektiv betätigbar ist.
3. Roboter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahleinrichtung vom Rechner selektiv blockierbare Bremsen (16, 2a, 15, 6b, 12, 9e) aufweist, wobei jede Bremse an einem (1, 4, 8) von zwei untereinander ver-

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bundenen Gliedern befestigt und derart angeordnet ist, daß sie mit dem anderen (2a, 6, 9e) der beiden Glieder zusammenwirkt und die beiden Glieder aneinander festsetzt.
4. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu den bewegbaren Gliedern eine auf einer ersten, zur Motorachse parallelen drehbaren Welle (2) drehfest angeordnete erste Fußplatte (3), eine auf einer zweiten, zur Motorachse parallelen Welle (9) angebrachte Fußplatte (8) und ein die beiden Fußplatten miteinander verbindendes verformbares Parallelogramm (4 ... 7) gehören, daß eine als Antriebstrommel dienende erste Trommel (19) auf der Motorwelle (20a) befestigt, eine zweite Trommel (18) freilaufend auf der der ersten Fußplatte (3) zugeordneten Welle (2) gelagert und eine dritte Trommel (9f) auf der der zweiten Fußplatte (8) zugeordneten Welle (9) befestigt ist, daß ein Antriebsseil (13) mit einem Ende an der dritten Trommel (9f) befestigt und mit wenigstens einer Windung um diese herumgeführt ist, mit wenigstens einer Windung die zweite Trommel (18) umschlingt und am anderen Ende unter mehrfacher Umschlingung an der ersten Trommel (19) befestigt ist, wobei die SeilfUhrung so gewählt ist, daß ein von der ersten Trommel (19) ausgeübter Zug über die Auswahleinrichtung (16, 15, 12) selektiv entweder eine Drehung der ersten Welle (2) und mit dieser der ersten Fußplatte (3) oder der zweiten Welle (9) oder eine Verformung des Parallelogramms (4 ... 7) entgegen der Wirkung der zugehörigen Rückholvorrichtung (17, 14, 11) hervorruft.
5. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kodierer (20) als Impulskodierer ausgebildet ist, der eine Anzahl von Impulsen als lineare Funktion des Drehwinkels (&, O) einer der Wellen (2, 9) mit zugehörigen Fußplatten (3, 8) oder der Verkürzung des

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Abstandes (*?) zwischen den beiden Wellen (2, 9) unter Verformung des Parallelogramms (4 ... 7) abgibt.
6. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (21) und der Kodierer (20) in einem Schrittmotor zusammengefaßt sind.
7. Roboter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückholvorrichtung einen Kupplungsmotor (21'), einen auf der Welle des Kupplungsmotors feste Trommel (19·) und ein die ersten, zweiten und dritten Trommeln entgegen der Richtung des Zugseils (13) umschlingendes Seil (13') aufweist·

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