DE3028041A1

DE3028041A1 - Programme controlled manipulator with rapid programming facility - has coupling in each pivot drive allowing independent arms to be moved in common

Info

Publication number: DE3028041A1
Application number: DE19803028041
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz 8752 Mainaschaff Langner; Udo Pfenning; Walter 8753 Obernburg Reis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-07-24
Filing date: 1980-07-24
Publication date: 1982-02-18

Abstract

The programme-controlled manipulator has several independently pivoted arms (2,4,6) each controlled by a respective drive incorporated in the pivot linkage. At least one of the arms (2,4,6) is pivoted about a horizontal axis (3,5,9) with a balanced centre of gravity. All the drives incorporate a coupling via which all the coupling can be operated in common. All the arms (2,4,6) pivot about a horizontal axis (3,5,9), the end arm also being able to pivot about an inclined axis, the manipulator support base pref. able to pivot about a vertical axis. The manipulator is designed to be quickly and easily programmed without requiring use of a training arm.

Description

Programmgesteuerter ManipulatorProgram controlled manipulator

Beschreibung Die Erfindung betrifft einen programmgesteuerten, mehrachsigen Manipulator mit mehreren, Jeweils unabhängig* voneinander verschwenkbaren Armen, die über jeweils eigene, im Bereich der betreffenden Gelenke vorgesehene Antriebe gesteuert antreibbar sind, und mit einer Enteperrbarkeit der Antriebs elemente zwecks möglichst schwereloser Programmierung des Manipulators.Description The invention relates to a program-controlled, multi-axis Manipulator with several arms that can be pivoted independently * of each other, each via its own drives provided in the area of the relevant joints can be driven in a controlled manner, and with an unlockability of the drive elements for the purpose Programming the manipulator as weightless as possible.

Ein solcher programmgesteuerter Manipulator ist Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 28 52 821.4-15 der Anmelderin. Die Aufgabenstellung dieser älteren Patentanmeldung zielt auf ein nahezu schwereloses Programmieren des Manipulators in der Ebene innerhalb einer nahezu kreisförmig geschlossenen Fläche um eine Hubsäule dieses Manipulators herum. Zu diesem Zweck schlägt die ältere Patentanmeldung vor, daß alle Arme des Manipulators Jeweils um vertikale Achsen schwenkbar sind, wobei der innerste Arm und damit auch alle weiteren Arme einschließlich eines Greifers an einem an der Hubsäule lotrecht verfahrbaren Schlitten angebracht sind. Mit anderen Worten wird die nahezu schwerelose Programmierung dieses Manipulators mit Ausschaltung der Schwerkraft dadurch erreicht, daß alle Arme nur um lotrechte Achsen schwenkbar sind.Such a program-controlled manipulator is the subject of the older one Patent application P 28 52 821.4-15 of the applicant. The task of this older one Patent application aims at a virtually weightless programming of the manipulator in the plane within an almost circular closed area around a lifting column this manipulator around. For this purpose, the earlier patent application suggests that all arms of the manipulator are each pivotable about vertical axes, with the innermost arm and thus also all other arms including a gripper are attached to a slide that can be moved vertically on the lifting column. With others The almost weightless programming of this manipulator with deactivation becomes words achieved by gravity in that all arms can only be pivoted about vertical axes are.

Zum Programmieren dieses älteren Manipulators werden lediglich die Antriebsmotoren der Arme ausgeschaltet.To program this older manipulator, only the Drive motors of the arms switched off.

Damit ist aber der Nachteil verbunde, daß beim Verschwenken der Arme alle Antriebsmotoren und die mit ihnen verbundenen Getriebe immer noch mitbewegt werden müssen. Beim Programmieren sind daher fühlbare Reibungskräfte und Massenkräfte zu überwinden. Hinzu kommt, daß die senkrechte Achse nur unter motorischer Unterstützung in der Höhe verfahren werden kann.However, this has the disadvantage that when the arms are pivoted all drive motors and the gears connected to them are still moving Need to become. When programming, there are therefore tangible frictional forces and inertia forces to overcome. In addition, the vertical axis can only be operated with motor assistance can be moved in height.

Es ist ein programmgesteuerter Manipulator bekannt, der mit einem gesonderten Trainingsarm ausgerüstet werden kann, mit dem sein Rechner programmiert werden kann. Der genaue konstruktive Aufbau dieses Trainingsarms ist nicht bekannt. Nachteilig hieran ist es insbesondere, daß zum Programmieren des Rechners der Trainingsarm am Manipulator angebracht werden muß. Nach dem Programmieren muß er wieder abgebaut werden. Dies sind zusätzliche, arbeits- und zeitaufwendige Verfahrensschritte.There is a program-controlled manipulator known that with a separate training arm can be equipped with which his computer is programmed can be. The exact construction of this training arm is not known. The particular disadvantage here is that the training arm is used to program the computer must be attached to the manipulator. After programming, it must be dismantled again will. These are additional, labor-intensive and time-consuming process steps.

Die DE-AS 1 481 819 beschreibt einen ferngesteuerten Manipulator mit horizontalen Schwenkachsen, die eine von außen betätigbare Trennkupplung haben, die zur Einstellung des betreffenden Drehmoments dient. Eine Programmierung dieses Manipulators ist nicht beabsichtigt. Auch sind die Trennkupplungen nicht gemeinsam betätigbar.DE-AS 1 481 819 describes a remote-controlled manipulator with horizontal swivel axes that have an externally actuated separating clutch, which is used to set the relevant torque. Programming this Manipulator is not intended. The separating clutches are also not common operable.

Ausgehend von einem programmgesteuerten, mehrachsigen Manipulator des Gegenstandes der eingangs genannten DE-AS 2 852 821 liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diesen so auszugestalten, daß bei einer Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten dieses Manipulators dieser sehr schnell und einfach programmiert werden kann, ohne daß es dazu beispielsweise eines gesonder s Trainingsarms bedarf.Based on a program-controlled, multi-axis manipulator The subject matter of DE-AS 2 852 821 mentioned at the outset is therefore part of the invention the underlying task of designing this so that when the possible uses are expanded this manipulator this is programmed very quickly and easily without the need for a separate training arm, for example.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Arme um eine horizontale Achse schwenkbar ist, daß die Masseschwerpunkte der Arme ausgeglichen sind, daß allen Antrieben Jeweils eine Kupplung zugeordnet ist unddaß alle Kupplungen gemeinsam betätigbar sind.To solve this problem, the invention is characterized in that that at least one of the arms is pivotable about a horizontal axis that the The center of gravity of the arms are balanced, that all drives have one coupling each is assigned and that all clutches can be operated together.

Weil die Masseschwerpunkte der Arme ausgeglichen sind, erfolgt die Programmierung fast schwerelos. Die Schwerkraft kommt insbesondere durch ein am Ende des letzten Armes bzw. an einem dort angebrachten Greifer sitzendes Gerät, beispielsweise eine Lackierpistole oder dergleichen, ins Spiel, deren Schwerkraft aber auch durch geeignete Maßnahmen bercksichtigt werden kann. Das Ausgleichen der Masseschwerpunkte dieser Bauelemente, vorzugsweise der Arme, erfolgt auf bekannte Weise über Federn, Gegengewichte oder über pneumatische Ausgleichselemente.Because the center of gravity of the arms are balanced, the Programming almost weightless. Gravity comes in particular through an am End of the last arm or device sitting on a gripper attached there, For example a spray gun or the like, its gravity comes into play but can also be taken into account by taking suitable measures. Balancing the The centers of gravity of these components, preferably the arms, are based on known ones Via springs, counterweights or pneumatic compensating elements.

Weil allen Antrieben Jeweils eine Kupplung zugeordnet ist und alle Kupplungen gemeinsam betätigbar sind, müssen nach dem Entkuppeln aller Kupplungen nicht mehr die Kräfte für den Antrieb der Motoren und der zugeordneten Getriebe beim Programmieren aufgewendet werden, wie dies bei der eigenen älteren Patentanmeldung der Fall war. Zum Programmieren müssen vielmehr nur noch geringe Kräfte durch -LEERLAUF-/Reibungen in den Gelenken überwunden werden.Because a clutch is assigned to all drives and all of them Couplings that can be operated together must be done after all couplings have been decoupled no longer the forces to drive the motors and the associated gearboxes when programming, as is the case with our own earlier patent application was the case. Rather, only a small amount of force is required for programming - IDLE- / friction be overcome in the joints.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt: Fig. 1 schematisch eine Ansicht eines neuartigen Manipulators mit fünf Achsen; Fig. 2 einen Schnitt durch ein Gelenk eines Arms des Manipulators nach Fig. 1 zur Erläuterung des konstruktiven Aufbaus der Freischaltung von Motor und Getriebe von Bewegungselementen. The invention is illustrated below using an exemplary embodiment explained in more detail, from which other important features result. It shows: Fig. 1 schematically shows a view of a novel manipulator with five axes; Fig. 2 a section through a joint of an arm of the manipulator according to FIG. 1 for explanation the structural design of the activation of the motor and gearbox of moving elements.

Zunächst sei der grundsätzliche Aufbau des neuartigen Manipulators anhand von Fig. 1 erläutert. Dieser besteht aus einem Grundgestell 1, an dem ein erster Arm 2 um eine horizontale Achse 3 schwenkbar ist. An den ersten Arm 2 ist ein zweiter Arm 4 angelenkt, und zwar ebenfalls mit einer horizontalen Achse 5. Am Ende des zweiten Armes 4 sitzt ein Gelenk 6, das um eine Achse 7 in Richtung des Pfeiles 8 schwenkbar ist. Außerdem kann ein nker7um eine weitere horizontale Achse 9 in Richtung des Pfeiles 10 verschwenkt werden. Der Greifer ist dann am Gelenk 6 angebracht. First of all the basic structure of the new type of manipulator explained with reference to FIG. 1. This consists of a base frame 1 on which a first arm 2 is pivotable about a horizontal axis 3. At the first arm 2 is a second arm 4 is articulated, also with a horizontal axis 5. At the end of the second arm 4, a joint 6 is seated around an axis 7 in the direction of the arrow 8 is pivotable. In addition, a nker7um can be another horizontal Axis 9 can be pivoted in the direction of arrow 10. The gripper is then on the joint 6 attached.

Die Verschwenkung des Armes 2 um die Achse 3 ist durch den Pfeil 11 angedeutet und die Verschwenkung des Armes 4 um die Achse 5 durch den Pfeil 12. In Fig.1 sind außerdem strichpunktiert verschiedene Lagen des Endes des Armes 4 mit dem Gelenk 6 angedeutet. The pivoting of the arm 2 about the axis 3 is indicated by the arrow 11 and the pivoting of the arm 4 about the axis 5 by the arrow 12. Various positions of the end of the arm 4 are also shown in dash-dotted lines in FIG indicated by the joint 6.

Das Grundgestell ist um eine lotrechte Achse 13 schwenkbar, wie durch den Pfeil 14 angedeutet. Hierzu ist das Grundgestell 1 auf einen nicht gezeichneten Sockel aufgesetzt. Position 15 deutet eine den Antrieb £ur den Arm 2 an. The base frame is pivotable about a vertical axis 13, as by the arrow 14 indicated. For this purpose, the base frame 1 is on a not shown Put on the base. Position 15 indicates the drive for arm 2.

Dieser Manipulator kann somit in fünf Achsen betätigt werden, die durch die Pfeile 14, 11, 12, 10 und 8 symbolisiert werden.This manipulator can thus be operated in five axes, the are symbolized by the arrows 14, 11, 12, 10 and 8.

Zum Programmieren des Manipulators wird der Greifer bzw.To program the manipulator, the gripper or

ein am Greifer befestigtes Werkzeug in der Jeweils gewünschen Bahn geführt. Diese kann wegen des vorstehend beschriebenen Aufbaus des Manipulators sehr frei durchgeführt werden. Ist der Manipulator programmiert, so führt er selbsttätig und beliebig oft den ihm einprogrammiertenj Bewegungsablauf aus. Hierzu ist für den Antrieb in Jeder Achse ein eigener Antriebsmotor vorgesehen.a tool attached to the gripper in the desired path guided. This can because of the structure of the manipulator described above can be carried out very freely. If the manipulator is programmed, it will lead automatically and as often as he likes the programmed sequence of movements. This is for the drive in each axis is provided with its own drive motor.

Damit das Programmieren der lernfähigen Steuerung des Manipulators nahezu schwerelos erfolgt, werden vorher alle Antriebe mit zugehörigen Getriebeteilen des Manipulatorslgekuppelt. Dies wird im folgenden anhand von Fig. 2 am Beispiel des Armes 4 erläutert.With it the programming of the adaptive control of the manipulator takes place almost weightlessly, all drives with associated gear parts are first of the manipulator is coupled. This is illustrated below with reference to FIG. 2 using the example of the arm 4 explained.

Ein Antriebsmotor 16 ist ausgangsseitig mit einem Getriebe 17 verbunden. Ausgangsseitig des Getriebes ist eine Achse 18 vorgesehen, die eine Kupplung 19 antreibt.A drive motor 16 is connected on the output side to a gear 17. On the output side of the transmission, an axle 18 is provided which has a clutch 19 drives.

Die Kupplung besteht aus Kupplungsscheiben 20, 21 und 22.The clutch consists of clutch disks 20, 21 and 22.

Die Kupplungsscheiben haben Durchgangslöcher für Kupplungsstifte 23. Die Kupplungsstifte sind mit der mittleren Kupplungsscheibe 21 fest verbunden. Diese kann in Richtung der Achse 18 von einer nicht gezeigten Steuerung verschoben werden. Werden die Stifte in Richtung auf das Getriebe 17 -untenverschoben (nach/ in Fig. 2), so rasten die Stifte in Löcher 24 eines Kettenrades 25 ein und stellen dadurch eine kraftschlüssige und spielfreie Verbindung zwischen dem Motor 16 und dem Kettenrad 25 her. Werden die Kupplungsstifte 23 ausgerückt, d.h. in Richtung hinweg vom Motor 16 verschoben, so ist diese kraftschlüssige Verbindung unterbrochen.The clutch disks have through holes for clutch pins 23. The coupling pins are firmly connected to the central coupling disk 21. These can be shifted in the direction of the axis 18 by a controller, not shown. If the pins are pushed down in the direction of the gear 17 (according to / in Fig. 2), the pins snap into holes 24 of a sprocket 25 and thereby set a non-positive and backlash-free connection between the motor 16 and the sprocket 25 ago. When the coupling pins 23 are disengaged, i.e. in the direction away from the engine 16 postponed, so this positive connection is interrupted.

Auf dem Kettenrad 251äuft eine Kette 26, die in eingekuppeltem Zustand die Bewegung auf die nächste Achse, beispielsweise auf die Achse 9, überträgt.A chain 26 runs on the sprocket 251, which is in the coupled state transfers the movement to the next axis, for example to axis 9.

Außerdem ist der Kupplung 19 benachbart am Arm 4 ein Kodiergerät 27 befestigt, das, beispielsweise über eine bei Position 28 angedeutete Verbindung, ständig eingeschaltet ist. Das Kodiergerät erhält somit alle Informationen über die jeweils durchgeführten Verbindungen.In addition, a coding device 27 is located adjacent to the coupling 19 on the arm 4 attached, for example via a connection indicated at position 28, is always on. The coding device thus receives all information about the connections made in each case.

An jedem Gelenk bzw. an Jeder Achse ist ein solches, ständig eingeschaltetes Kodiergerät vorgesehen.At every joint or on every axis there is one that is constantly switched on Coding device provided.

Es können auch andere bekannte Kupplungsarten zum Einsatz kommen.Other known types of coupling can also be used.

Bei Position 29 ist ein weiterer Antriebssatz für eine andere Achse mit Kupplung entsprechend den Bauteilen rechts in Fig.2 angedeutet.At position 29 there is another drive set for another axis indicated with coupling corresponding to the components on the right in Fig.2.

Alle Kupplungen 19 des Manipulators werden gleichzeitig über ein fernbedientes oder auch über ein handbetätigtes Antriebselement eingeschaltet bzw. ausgeschaltet. In getrenntem Zustand der Kupplungen kanndie Programmierung nahezu reibungsfrei erfolgen, weil die Kupplungen direkt hinter dem Antrieb 16 mit seinem Getriebe 17 angeordnet, sind, so daß alle im Kraftfluß hinter den Kupplungen liegenden Bauteile nicht mitbewegt zu werden brauchen, wie dies bei der erwähnten eigenen älteren Patentanmeldung der Fall war.All couplings 19 of the manipulator are operated simultaneously via a remote control or switched on or off via a manually operated drive element. When the clutches are disconnected, programming can be carried out almost smoothly take place because the clutches are directly behind the drive 16 with its gear 17 are arranged, so that all components lying in the power flow behind the clutches do not need to be moved, as is the case with the earlier patent application mentioned was the case.

Das Programmieren wird nahezu schwerelos, weil geeignete mechanische, hydraulische oder pneumatische Federelemente oder auch Gegengewichte vorgesehen sind.Programming becomes almost weightless because suitable mechanical, hydraulic or pneumatic spring elements or counterweights are provided are.

Bei der somit nahezu schwerelos und nahezu reibungsfrei erfolgenden Führung des Greifers zur Programmierung wird die Bewegung Jedes Armes über sein Kodiergerät und eine nicht dargestellte elektronische Steuerung ständig aufgezeichnet. Das Einkuppeln und Auskuppeln geschieht immer in einer bestimmten Position, und zwar gleichzeitig für alle Achsen. Durch diese Technik ist auch gewährleistbt, daß die Ausgangslage des Manipulators - sogenannte Null-Position - immer am Beginn eines Folgeprogramms erfolgt.In the case of the almost weightless and almost frictionless Guiding the gripper for programming will be the movement of each arm over Encoding device and an electronic control, not shown, constantly recorded. Engaging and disengaging always takes place in a certain position, and at the same time for all axes. This technique also ensures that the starting position of the manipulator - so-called zero position - always at the beginning of a Follow-up program.

Durch den entsprechenden Gewichtsausgleich können die Ruhepositionen aller Achsen bestimmt werden. Es sind dann zum Programmieren lediglich noch die Auslenkungskräfte bei der Handführung notwendig. Bei dieser Handführung zwecks Programmierung ergeben sich Programmierzeiten, die im wesentlichen der Arbeitszeit bei manueller Bedienung entsprechend. Sogar Kleinatserien und Einzelbearbeitungen, z.B. beim Lichtbogenschweißen, beim Reinigen von Eisenguß und anderen Teilen, können erst dadurch wirtschaftlich maschinell bearbeitet werden. Dadurch eröffnen sich somit neue Einsatzmöglichkeiten für den neuartigen Manipulator, insbesondere wenn mittlere oder kleinere Serien von Werkstücken rationell bearbeitet werden sollen.The resting positions can be adjusted with the appropriate counterbalance of all axes can be determined. There are then only those left for programming Deflection forces necessary for hand guidance. In this manual for the purpose of programming programming times result, which are essentially the working hours with manual Operation accordingly. Even small batches and individual processing, e.g. for arc welding, When cleaning cast iron and other parts, this is what makes it economical machined. This opens up new fields of application for the new type of manipulator, especially when medium or small series of workpieces are to be processed efficiently.

Eine Handführung der Achse ist auch bei ungünstigen Hebelverhältnissen und Platzverhältnissen gegeben.The axis can also be guided by hand with unfavorable leverage and space available.

Claims

Claims Program-controlled, multi-axis manipulator with several, each independently pivotable arms, each over own drives provided in the area of the joints concerned can be driven in a controlled manner are, and with an unlockability of the drive elements for the purpose of as weightless as possible he programming of the manipulator, characterized in that at least one the arms (2, 4, 6) can be pivoted about a horizontal axis (3, 5, 9) that the centers of gravity the arms are balanced so that all drives (16) each have a coupling (19) is assigned and that all clutches can be operated together.

2. Manipulator according to claim 1, characterized in that all Arms (2, 4, 6) are pivotable about horizontal axes.