DE3139764C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen ferngesteuerten Manipulator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung geht von einem bekannten Manipulator aus (SU 6 31 329). Bei dem bekannten Manipulator ist die Ver­ bindungseinheit zur Befestigung eines Werkzeuges über dreh­ bare Gabeln an Armen angelenkt, die hydraulisch längenver­ stellbar sind. Die Positionierung des Werkzeuges erfolgt durch manuelles Hinführen des Werkzeuges an eine gewünschte Stelle. Dabei werden Ventile betätigt, welche die Beauf­ schlagung der hydraulischen Zylinder steuern.

Zum ferngesteuerten Positionieren sind auch Manipulatoren bekannt (US-PS 39 85 238 und 40 68 536), bei denen die Steuerung der Kragarme zum Positionieren einer Verbindungs­ einheit durch einen Computer erfolgt. Bei diesen Manipula­ toren werden Kragarme verwendet, die eine Anzahl von Gelenk­ und Gleitverbindungen aufweisen, um die Positionierung zu ermöglichen.

Zu den wichtigen Eigenschaften von derartigen Maschinen zählen deren Lasttragvermögen, ihre maximale Arbeitsge­ schwindigkeit (die zum großen Teil von der Trägheit der Maschine abhängt) und der einfache Aufbau der Maschinen, der nicht nur deren einfache Verwendung sondern auch unmittelbar ihre Herstellungskosten beeinflußt. Das Lasttragvermögen von vielen der gegenwärtig erhältlichen Manipulatoren, insbeson­ dere den als Kragarm ausgebildeten Manipulatoren, ist häufig im Vergleich zu der Masse des Manipulators selbst stark be­ grenzt. Desweiteren besitzen diese Manipulatoren eine Kon­ struktion, die hohe Translations- und Rotationsträgheits­ momente erzeugt, was dazu führt, daß die Beschleunigung des Manipulatorkopfes und somit die maximale Geschwindigkeit des Manipulators selbst unnötig begrenzt ist. Schließlich führt der komplexe Aufbau häufig zu hohen Kosten, zu einer ver­ ringerten Zuverlässigkeit und folglich größeren Stilliege­ zeiten und oft zu einer erhöhten Komplexität des Steuer­ systems zum Antrieb dieser Maschinen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den fern­ gesteuerten Manipulator der eingangs geschilderten Art da­ hingehend weiterzubilden, daß eine möglichst hohe Tragfähig­ keit erzielt wird und die Positionierung über eine Fern­ steuerung vereinfacht werden kann.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist ein verbesserter fern­ gesteuerter Manipulator entwickelt worden Der Manipulator besitzt keinen Kragarm und weist eins Vielzahl von Armen auf, die ausgehend von einem festen Rahmen in einer Drepunktlagerung angeordnet sind, so daß die Verbindungs­ einheit 74, die ein Werkzeug oder ein zu positionierendes oder zu orientierendes Teil trägt, eine hohe Steifigkeit erhält. Da­ durch wird die Bewegung von beträchtlichen Lasten mit vergleichs­ weise hohen Geschwindigkeiten möglich. Darüber hinaus sind die Antriebselemente für die Positionierung und Orientierung von den wirksamen Rotationsachsen der Verbindungseinheit entfernt angeord­ net, um auf diese Weise die Masse und folglich die Trägheit der Anordnung an der Stelle der Verbindungseinheit auf ein Minimum zu bringen. Dadurch wird die Bewegung der Verbindungs­ einheit und der daran befestigten Werkzeuge mit hoher Geschwindig­ keit gefördert.

Die Antriebseinrichtungen können vorteilhafterweise unmittel­ bar zu den Montageeinrichtungen benachbart angeordnet werden, die die Arme mit dem Rahmen verbinden. Sie können jedoch ebenfalls, je nach den Bedürfnissen des Benutzers, an Stellen angeordnet sein, die von diesem Punkt entfernt angeordnet sind, um einen Gewichtsausgleich für die am Verbindungskopf angebrachten Lasten vorzusehen, oder aus anderen Gründen. Die erfindungs­ gemäße Konstruktion bietet daher eine große Flexibilität in bezug auf die Anordnung der Antriebselemente. Die Arme des Manipulators sind einfach ausgebildet, besitzen eine im wesentlichen identische Konstruktion und weisen keine Teile mit kritischer Toleranz auf. Sie können daher in Massenproduktion mit niedrigen Kosten hergestellt und rasch montiert werden. Die Konstruktion bietet die Möglichkeit einer variierenden Zahl von Freiheitsgraden, indem die Ausdehnung oder Rotation von einem oder mehreren der Arme eingeschränkt wird.

Die die Verbindungseinheit und die entsprechenden Arme mitein­ ander verbindende Kupplung ist so ausgebildet, daß sich die wirksamen Rotationsachsen der Verbindungseinheit relativ zu den Armen an einem gemeinsamen Punkt schneiden. Dadurch werden die Positions- und Rotations-Koordinaten der Arme so voneinander abgekoppelt, daß die Bewegungsgleichungen, die die Bewegung der Verbindungseinheit in Abhängigkeit von der Bewegung der entsprechenden Arme beschreiben, vereinfacht werden. Folglich wird der erforderliche Rechenaufwand zur Erzielung einer genauen Steuerung der Position und Orien­ tierung der Verbindungseinheit und um diese an eine gewünschte Stelle und in eine gewünschte Orientierung zu bringen, ver­ einfacht.

Um beispielsweise die Positions- und Winkelgeschwindigkeit der Verbindungseinheit aus den entsprechenden Geschwindig­ keiten der Arme zu errechnen, muß während der Bewegung der Verbindungseinheit wiederholt eine 6×6 Matrix invertiert werden, wobei dieser rechnerische Aufwand insofern reduziert wird, als daß nunmehr nur noch drei 3×3 Matritzen inver­ tiert werden müssen.

Die Konstruktion ermöglicht von sich aus die Ausführung mit einer Reihe von unterschiedlichen Freiheitsgraden, um spezielle Bedürfnisse zu erfüllen. Die hier beschriebene Ausführungsform besitzt sechs Freiheitsgrade (drei Trans­ lations- und drei Rotationsfreiheitsgrade). Es können jedoch ohne weiteres auch mehr oder weniger Freiheitsgrade Verwen­ dung finden, um einen für einen speziellen Zweck besser geeigneten Manipulator vorzusehen. Die Arme sind im wesent­ lichen identisch ausgebildet, so daß das System in Massen­ produktion, vergleichsweise billig, ohne hohe kritische Toleranzen und mit einer begrenzten Anzahl von unterschied­ lichen Teilen hergestellt werden kann.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ferngesteuerten Manipulators;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Kupplungseinrichtung der Fig. 1, wobei Teile zur besseren Darstellung weggebrochen sind; und

Fig. 3 eine Ansicht einer Ausführungsform der Antriebs­ einrichtungen für die Arme.

Der in Fig. 1 dargestellte Rahmen 10 umfaßt eine Basis 12, vertikale Säulen 14, 16 und eine dreieckige Plattform 18. Doppelgelenkverbindungen 22 und 24 sind an den Säulen 14, 16 und der Plattform 18 montiert. Die Doppelgelenkver­ bindung 20 weist ein erstes Joch 26 auf, in dem ein zweites Joch 28 mit Hilfe eines vertikalen Zapfens 30 gelenkig gelagert ist. Ein Elektromotor 32 ist mittels eines Stiftes 34 im Joch 28 drehbar gelagert, und der Rahmen eines zweiten Elektro­ motors 36 ist so auf der Welle des Motors 32 montiert, daß er sich mit diesem drehen kann. Wie man Fig. 1 entnehmen kann, kann sich jeder Arm 52, 56, 60 relativ zum Rahmen 10 um drei Achsen drehen. Bei der ersten Achse handelt es sich um die Längsachse eines jeden Armes. Die zweite und dritte Achse werden durch Quer­ achsen gebildet, die durch die entsprechenden Gelenkstifte festgelegt sind und selbst Ebenen definieren, die quer zu der Achse des entsprechenden Armes verlaufen.

Ein Arm 50, der einen verlängerbaren Arm 52 aufweist, ist kon­ zentrisch zu der Welle des Motors 36 montiert. Der Arm 52 ist mit einem rückwärtigen Abschnitt 54 versehen, der eine mit einem Innengewinde versehene mittlere Bohrung besitzt, die mit einer entsprechenden Schraube 56 zusammenwirkt, welche an der Welle des Motors 36 ausgebildet ist. Ein mit einer Innenwand des Armes 50 verbundener Stift 57 ist in einem Längsschlitz 59 des Armes 52 geführt, um eine Rotation des Armes 52 relativ zu dem Arm 50 zu verhindern. Die Motoren 32 und 36 stehen mit einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) in Verbindung, die vorzugsweise einen Komputer enthält, der den Motoren ver­ schiedene Positions- und Rotationsantriebsbefehle zuführt. Jeder Motor wird vorzugsweise unabhängig betrieben. Der Motor 32 steuert die Winkellage des Armes 52, während der Motor 36 dessen Längsverstellung steuert. Die Konstruktion Doppelgelenkver­ bindung 22, 24 und der zugehörigen Antriebe für die Arme sind entsprechend und müssen daher nicht mehr in Einzelheiten beschrieben werden.

Die Arme 52, 56 und 60 enden in einer Kupplungseinrichtung 62, die in Fig. 2 in Einzelheiten dargestellt ist und ein inneres erstes Element 64, ein zweites Element 66 und ein äußeres drittes Element 68 aufweist. Die Elemente 64 und 66 sind durch Kugellager 70 drehbar voneinander getrennt, während die Elemente 66 und 68 durch Kugellager 72 drehbar voeinander getrennt sind. Eine Verbindungseinheit 74 ist mit dem inneren Element 64 starr verbunden und rotiert zusammen mit diesem Element unabhängig von den Elementen 66, 66.

Der Arm 52 ist an dem äußeren Element 68 über einen Kupplungs­ arm 80 befestigt, der mit einem Ende starr am Arm 52 befestigt und am anderen Ende derart gelenkig gelagert ist, daß er sich um einen Lagerstift 82 drehen kann. In ähnlicher Weise ist der Arm 60 mit dem mittleren Element 66 über einen Kupplungs­ arm 86 verbunden, der an einem Ende starr am Arm 60 befestigt und am anderen Ende derart gelenkig gelagert ist, daß er sich um einen Lagerstift 88 drehen kann. Die Verbindungseinheit 74 kann daher relativ zu dem Arm 52 um eine erste Achse a rotieren, die konzentrisch zu der Rotationsachse des inneren Elementes 64 verläuft, und um eine zweite Achse 6, die sich kolinear zu der Achse des Lagerstiftes 82 erstreckt. Diese Achsen a und b bilden eine Ebene, die quer zu der Längsachse C des Armes 52 verläuft ("quer" soll hier "unter einem Winkel <0° bedeuten, so daß die Linie oder Achse, zu der die Ebene quer verläuft, außerhalb der Ebene liegt).

Da der Kupplungsarm 80 starr mit dem Arm 52 verbunden ist, kann die Verbindungs­ einheit 74 relativ zu dem Arm 52 nicht um die Längsachse c dieses Armes rotieren, jedoch zusammen mit diesem Arm um diese Achse. In änlicher Weise rotiert die Verbindungseinheit 74 elativ zu dem Arm 60 um die erste Achse a und um eine zweite Achse d die kolinear zur Achse des Lager-stiftes 88 verläuft.

Diese Achsen bilden eine Ebene die sich quer zur Längsachse e des Armes 60 erstreckt. Die Verbindungseinheit 74 kann relativ zu dem Arm 60 nicht um die Längsachse e rotieren, jedoch zusammen mit dem Arm 60 um diese Achse.

Das innere Element 64 ist mit Hilfe eines Universalgelenkes mit dem Arm 56 verbunden. Das Universalgelenk umfaßt einen ersten Stift 90, der sich durch eine geschlitzte Backe 92 am unteren Endes des Armes 56 erstreckt, und einen zweiten Stift 94, der sich senkrecht zu dem Stift 90 erstreckt und in einer eschli zten Backe 96 eines Zapfens 98 montiert ist, der an der Verbindungseinheit 74 befestigt ist. Die Stifte 90 und 94 sind an ihrem Schnittpunkt gelenkig zueinander gelagert, so daß ein Universalgelenk gebildet wird, das eine Rotationsbewegung der Verbindungseinheit 74 relativ zum Arm 56 um zwei Achsen ermöglicht, die mit den Längsachsen f und g der Stifte 90, 94 zusammenfallen.

Die Verbindungs­ einheit 74 wird an einer Rotation relativ zu dem Arm 56 um die Längsachse "a" dieses Armes gehindert, rotiert jedoch zusammen mit diesem Arm um ihre Achsen.

Die Positionierung der Verbindungseinheit 74 wird durch die Längsverstellung und Drehung eines jeden Armes 52, 56, 60 bestimmt. Desweiteren sind bei der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform die Rotationsachsen der Verbindungseinheit 74 relativ zu den Armen so angeordnet, daß sie sich in einem gemeinsamen Punkt (Punkt "I"in den Fig. 1 und 2) schneiden. Dadurch werden die Translations- und Rotations-Koordinaten der entsprechenden Arme so entkoppelt, daß die Lage der Verbindungs­ einheit 74 allein über die Längsänderung der Arme bestimmt wird, während die Winkellage der Verbindungseinhei 74 in erster Linie durch die Rotationslage dieser Arme relativ zu einem anfänglichen Bezugspunkt von Null bestimmt wird. Dadurch werden die Steuersysteme für den hier beschriebenen ferngesteuerten Manipulator stark vereinfacht, da der rechnerische Aufwand zur Bestimmung der erforderlichen Längsausdehnung und Winkellage eines jeden Armes, um die Verbindungseinheit an einer gewünschten Stelle und mit einer speziellen Orientierung positionieren zu können, vereinfacht wird. Folglich wird die Entwicklung des Steuersystems vereinfacht, und das System selbst kann be­ schleunigt arbeiten.

Die Arme 52, 56, 60 des vorstehend beschriebenen ferngesteuerten Manipulators bilden ein Tetraeder im Raum, wobei die Arme die drei konvergierenden Kanten des Tetraeders bilden und die Verbin­ dungseinheit am Scheitel desselben liegt. Dies stellt eine besonders steife und feste Konstruktion dar, die die Verbin­ dungseinheit und die daran befestigten Werkzeuge lagert. Die Konstruktion kann relativ hohen Beschleunigungen und Verzögerungen unterworfen werden, ohne daß übermäßige Vibrationen und lange Ausregelzeiten vorkommen. Darüber hinaus kann die Verbindungs­ einheit eine beträchtliche Last tragen. Der Manipulator ist somit für solche Anwendungszwecke wie Teilemontage bei numerisch gesteuerten Maschinen, Sortieren von Teilen, Transport von Teilen o. ä. besonders geeignet.

Claims (6)

1. Ferngesteuerter Manipulator mit drei an einem Rahmen drehbar gelagerten und in der Längsachse längenver­ stellbaren Armen, mit einer Verbindungseinheit für ein Werk­ zeug und Kupplungseinrichtungen zwischen jedem Arm und der Verbindungseinheit und mit Antrieben zur Positionierung der Verbindungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupp­ lungseinrichtungen erste, zweite und dritte Elemente (64, 66, 68) umfassen, die gegeneinander um eine Achse (h) der Verbindungseinheit (74) drehbar sind, daß eines der Elemente (64) fest mit der Verbindungseinheit (74) verbunden ist und über ein Universalgelenk (90, 92, 94, 96) an einem Arm (56, 54) angelenkt ist, daß jedes der beiden anderen Elemente (66, 68) mit einem der anderen Arme (52, 60) um eine Achse (b, d) drehbar verbunden ist, die quer zur Längsachse (c, e) des zugehörigen Armes und quer zur Achse (h) der Verbindungs­ einheit liegt, wobei die Positionierung der Verbindungsein­ heit durch Längenveränderung und Drehung der Arme erfolgt.

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Arm (50, 52, 54, 56, 58, 60) über eine Doppelgelenkverbindung (20, 22, 24) am Rahmen (10) gelagert ist.

3. Manipulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Universalgelenk (90, 92, 94, 96) eine Doppelgelenkverbindung ist.

4. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, durch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtungen an dem zum Rahmen (10) benachbarten Ende der Arme angeordnet sind.

5. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtungen einen ersten Motor (36) zur Längeneinstellung einese Armee und ei­ nen zweiten Motor (32) zum Drehen des Armes aufweisen und die Motoren unabhängig voneinander betätigbar sind.

6. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Arme (50, 52, 54, 58, 58, 60) zur stabilen Lagerung der Verbindungseinheit (74) ein Tetraeder bilden.