DE3202353A1

DE3202353A1 - Pantographengestaenge

Info

Publication number: DE3202353A1
Application number: DE19823202353
Authority: DE
Inventors: Duc Truong Birmingham Pham
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1981-01-26
Filing date: 1982-01-26
Publication date: 1982-08-05
Also published as: GB2091836B; IT8267072A0; GB2091836A; JPS57144684A; IT1154464B; FR2498512A1; FR2498512B1; US4437635A

Description

Beschreibung;

Pantographengestänge

Die Erfindung bezieht sich auf ein Pantographengestänge zur Verwendung bei sogenannten Manipulatoren oder ähnlichen Werkzeugen, insbesondere bei sogenannten Roboterarmen.

Es sind bereits Pantographengestänge als Halterungen für Lampen bekannt; solche Gestänge sind z.B. in der GB-PS 583 687 beschrieben. Ähnliche Gestänge, die zur Vervendung bei Mikroskopen oder Seziervorrichtungen bestimmt sind, wurden in der GB-PS 690 49 4 beschrieben. Ferner wurde in der GB-PS 1 478 886 vorgeschlagen, Pantographengestänge bei Kränen und dergl. zu verwenden, damit es möglich ist, Lasten in zwei Dimensionen längs geregelter und vorhersehbarer Bahnen zu bewegen.

Bei diesen bekannten Gestängen ist es jedoch nur möglich, geradlinige Bewegungen in zwei Dimensionen herbeizuführen, und/oder es besteht nicht die Möglichkeit, ein mit dem Gestänge verbundenes Werkzeug oder dergl. während einer ^ dreidimensionalen Bewegung in einer bestimmten Orientierungslage zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gestänge zu schaffen, das es ermöglicht, geradlinige Bewegungen in drei Dimensionen herbeizuführen und ein daran befestigtes Werkzeug oder dergl. während der Bewegungen in allen drei Dimensionen in einer gleichbleibenden räumlichen Lage zu hnlten. Hierzu ist jedoch zu bemerken, daß die Erfindung auch unter Bedingungen Vorteile bieten kann, unter denen es nicht erforderlich ist, ein Werkzeug in einer gleichbleibenden räumlichen Lage zu halten, während es in drei Dimensionen bewegt wird; in einem solchen Fall kann dafür gesorgt sein, daß eine derartige Bewegung nur in einer Richtung oder zwei gewählten Richtungen herbeigeführt wird, ohne daß eine Änderung der Orientierung des Werkzeugs eintritt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Schaffung eines Manipulators gelöst, zu den zwei Pantographen gehören, die so miteinander gekuppelt sind, daß sie als einander gegenüberliegende Glieder eines Parallelogrammgestänges zur Wirkung kommen, wobei die Pantographen jeweils einen ersten und einen zweiten Arm aufweisen, die jeweils als Parallelogrammgestänge arbeiten, wobei Einrichtungen vorhanden sind, die dazu dienen, Verbindungen zwischen den Parallelogrammgestängen in einer festen Be-Ziehung zueinander zu halten, und wobei Einrichtungen vorhanden sind, die es ermöglichen, geradlinige Bewegungen der Pantographen in allen drei Dimensionen herbeizuführen, so daß es möglich ist, ein an den Pantographen befestigtes Werkzeug oder dergl. dreidimensional zu bewegen und gleichzeitig die räumliche Orientierung des Werkzeugs konstant zu halten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Pantographengestänges;

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht, die veranschaulicht, auf welche Weise sich eine senkrechte Bewegung in der Z-Koordinatenrichtung abspielen kann;

Fig. 3 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht zur Veranschaulichung einer waagerechten Bewegung in der X-Koordinatenrichtung;

Fig. 4a und 4b das Gestänge nach Fig. 1 in der Draufsicht bzw. einer Seitenansicht zur Veranschaulichung des Ablaufs einer Seitwärtsbewegung in der Y-Koordinatenrichtung; und

Fig. 5 eine auseinandergezogene Schrägansicht eines mit einem erfindungsgemäßen Pantographengestänge ausgerüsteten Manipulators.

· In sämtlichen Figuren sind einander entsprechende Teile jeweils in der gleichen Weise bezeichnet.

Zu dem in Fig. 1 dargestellten Pantographengestänge gehören zwei Arme oder Schenkel 1 und 2, die bei 3 schwenkbar gelagert und durch Glieder 4 und 5 miteinander gekuppelt sind, welche mit den Armen 1 und 2 bei 6 bzw. 7 gelenkig verbunden und bei 8 aneinander angelenkt sind. Die Glieder 4 und 5 bilden zusammen mit den ihnen benachbarten Teilen der Arme 1 und 2 ein Parallelogramm, und die Länge a bzw. c des Gliedes 4 bzw. des Gliedes 5 sowie die Länge d bzw. b der freien Abschnitte der Arme 1 und sind so gewählt, daß sich die Beziehung

b c

a d

ergibt, wobei m den Multiplikationsfaktor bezeichnet.

Ijetätigungsbevegungen in allen drei Dimensionen, die dem freien Ende 9 des Arms 1 oder dem Gelenk 8 erteilt werden (während ein nicht bewegter Punkt gegen eine Translationsbewegung festgehalten wird) führen zu einer Parallelbewegung des freien Endes 10 des Arms 2, deren Größe durch den V/ert des Multiplikationsfaktors ra bestimmt wird. Übrigens verbleiben die Enden 9 und 10 der Arme 1 und 2 innerhalb des gesamten durch das Gestänge ermöglichten Bewegungsbereichs auf einer durch den Gelenkpunkt 8 verlaufenden geraden Linie.

Bei der vorstehend beschriebenen Grundform eines Pantographengestänges liegt es auf der Hand, daß sich die Orientierung des Arms 2 ändert, wenn der Pantograph bewegt wird, und daß daher auch ein am freien Ende 10 des Arms 2 befestigtes Werkzeug oder eine Haltevorrichtung oder dergl. eine Änderung seiner Orientierung erfährt. Bekanntlich kann man eine solche Veränderung der Orientierung dadurch vermeiden, daß man zwei weitere Gestängeglieder 11 und 12 vorsieht, die sich parallel zu den Gliedern 1 und 2 erstrecken und zusammen mit ihnen zwei Parallelogrammgestänge bilden. Die Enden dieser Parallelogrammgestänge werden in einer unveränderlichen Lage zueinander gehalten, z.B. mit Hilfe eines Verbindungsstücks 13, auf dem das Gelenk für die Arme 1 und 2 sowie die Gelenke 3' und 3" der Parallelglieder 11 und 12 angeordnet sind. Es ist zweckmäßig, wie in Fig. 1 dargestellt, eine solche Anordnung zu wählen, daß die Enden der beiden Parallelogrammgestänge in einer zueinander rechtwinkligen Lage gehalten werden, doch können auch andere Orientierungen gewählt werden, wenn dies erwünscht ist.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung bleibt die Orientierung des Endes 10 des Arms 2 sowie des Endes 10'

-γι des Gestängegliedes 12 bezüglich ihrer Orientierung unverändert, und zwar innerhalb aller Bewegungen der genannten Teile in Richtungen, die man der Einfachheit halber als waagerechte oder senkrechte Bewegungen bzw. als Kombinationen solcher Bewegungen bezeichnen könnte, die sich in der Zeichenebene von Fig. 1 abspielen.

Die möglichen Bewegungen des Pantographengestänges sind in Fig. 2, 3 und 4 dargestellt. Hierbei ist angenommen, daß die Z-Achse der in Fig. 2 dargestellten senkrechten Bewegung des Gestänges, die X-Achse einer waagerechten Bewegung in der Zeichenebene von Fig. 3 und die Y-Achse einer Seitwärts- bzw. Schwenkbewegung gemäß Fig. 4a und 4b entspricht. Während das Gestänge durch eine dem Punkt 8 erteilte Bewegung betätigt wird, werden in allen Fällen die Gelenke 9 und 9' des Arms 1 und des Gestängegliedes 11 gegen Translationsbewegungen festgehalten. Wie erwähnt, erfolgt die Bewegung des freien Endes 10 des Arms 2 und des entsprechenden Endes 10' des Gestängegliedes 12 in allen Fällen parallel zu der dem Punkt 8 erteilten Bewegung, und es ist ferner ersichtlich, daß die räumliche Orientierung der Punkte 10 und 10' während der gesamten Bewegungen unverändert bleibt, wie es für die gezeigten verschiedenen Stellungen ersichtlich ist.

Somit wird ein zwischen den Punkten 10 und 10" oder in einer festen Beziehung dazu angeordnetes Werkzeug oder ein Werkzeughalter oder dergl. so unterstützt, daß sich seine Orientierung nicht verändert.

Zwar fehlt eine entsprechende Darstellung in Fig. 1 bis 3, doch ist aus Fig. 4a und 4b ersichtlich, daß zu dem erfindungsgemäßen Pantographengestänge tatsächlich zwei Pantographengestänge gehören, die so ausgebildet sind, daß sie parallel zur Wirkung kommen, und die so miteinander verbunden sind, daß sie ein Parallelogrammgestänge

derart bilden, daß dann, wenn die Y-Koordinate des Mechanismus bewegt wird, die Orientierung des Endes 10" der kombinierten Pantographengestänge unverändert gehalten wird. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß es durch einfaches Interpolieren möglich ist, eine geradlinige Bewegung zwischen zwei beliebigen Punkten im Raum herbeizuführen.

Die genaue Art und Weise, in der das Gestängesystem ausgebildet wird und die verschiedenen Parallelogrammgestänge angeordnet werden, richtet sich im wesentlichen nach Fragen der Zweckmäßigkeit; dies gilt auch für die zur Betätigung des Systems verwendeten Krafterzeugungseinrichtungen. Ein Ausführungsbeispiel eines Manipulatorarms zum Herbeiführen geradliniger Bewegungen eines Werkzeughalters in einem Cartesischen X-Y-Z-Koordinatensystem mit Hilfe einfacher geradliniger Betätigungsbewegungen ist in Fig. 5 dargestellt. Bei dieser Anordnung sind die Pantographengestänge auf einem Unterbau 20 gelagert, der zwei Rahmen 21 und 22 trägt. Die unteren Enden der Glieder 5 sind mit auf dem Rahmen 21 angeordneten Lagerbökken 23 verbunden, während die unteren Enden der Arme 1 und der Glieder 11 an entsprechenden Lagerböcken 24 angelenkt sind, die von dem Rahmen 22 getragen werden. Mit den freien Enden der Arme 2 und der Glieder 12 ist ein Werkzeughalter 30 verbunden, der als Greifeinrichtung ausgebildet ist.

Bewegungen in Richtung der Z-Koordinate werden mittels einer Betätigungseinrichtung in Gestalt eines Schrittmotors 25 herbeigeführt, der dazu dient, eine auf den Rahmen 21 wirkende Gewindespindel zu betätigen. Zum Erzeugen einer Bewegung in der X-Koordinatenrichtung dient eine ähnliche Betätigungseinrichtung 26, mittels welcher der Rahmen 22 auf den Rahmen 21 zu bzw. von diesem weg

verschoben werden kann. Zur Erzeugung einer Bewegung in der Y-Koordinatenrichtung dient eine weitere Betätigungseinrichtung 27, die es ermöglicht, die den Rahmen 22 und die Betätigungseinrichtung 26 umfassende Baugruppe als Ganzes gegenüber dem Rahmen 21 zu verschieben. Wie eingangs erwähnt, kann man Betätigungskräfte entweder ?n dem Punkt 8 oder an dem Punkt 9 zur Wirkung bringen, und es stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Wahl, auf welche Weise diese Bewegung herbeigeführt werden kann. Während es bei der Anordnung nach Fig. 3 angenommen wurde, daß eine Bewegung in der X-Koordinatenrichtung dadurch herbeigeführt wird, daß der Punkt 8 verlagert wird, wird bei der praktischen Ausführungsform nach Fig. 5 eine entsprechende Bewegung durch eine Verlagerung des Punktes 9 bewirkt. Zwar ist es bei dem gesamten System erforderlich, daß seine verschiedenen Teile als Parallelogrammgestänge zur Wirkung kommen, doch ist es zu diesem Zweck nicht unbedingt erforderlich, bei allen aus den Figuren ersichtlichen Stellungen parallele Gestängeglieder vorzusehen.

Beispielsweise ist ersichtlich, daß bei der Ausführungsform nach Fig. 5 kein waagerechtes Gestängeglied zwischen den inneren Enden der Arme 2 und den Gliedern 12 der parallelen Pantographen vorhanden ist; vielmehr wird die Starrheit der Anordnung, welche durch die anderen dargestellten Verbindungen und Lagerböcke gewährleistet wird, dazu ausgenutzt, die inneren Enden der genannten Arme und Gestängeglieder in ihrer zueinander parallelen Lage zu halten. In der Praxis ist es daher nicht erforderlich, komplizierte Gelenke vorzusehen, wie man sie anderenfalls benötigen würde, um Bewegungen in dem jeweils gewünschten Ausmaß zu ermöglichen.

Zwar ist das Vergrößerungsverhältnis zwischen den Eingangs- und Ausgangsbewegungen, mit dem das Gestängesystem arbeitet, gewöhnlich als unveränderlich festgelegt, doch

könnte man natürlich auch Maßnahmen treffen, die es ermöglichen, die wirksame Länge der Arme und Gestängeglieder zu verstellen, damit sich das Vergrößerungsverhältnis nach Bedarf variieren läßt.

Der Patentanwalt

Claims

Patentanwälte
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Dipl. - Ing. K. 6UNSCHMANi 26.1.1982

Df.rar.nat. W. KDRBEH WpI.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS 8 MÖNCHEN 22, Steinwtortstr.W

Ansprüche

./Manipulator mit einem Pantographengestänge, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Pantographen (1, 2, 4, 5) vorhanden sind, die so miteinander gekuppelt sind, daß sie als einander gegenüberliegende Glieder eines Parallelogrammgestänges zur Wirkung kommen, daß zu den Pantographen erste Arme (1, 11) und zweite Arme (2, 12) gehören, die jeweils als Parallelogrammgestänge zur Wirkung kommen, und daß Einrichtungen (13, 22, 24 oder 21, 23) vorhanden sind, die dazu dienen, die Verbindungen zwischen den Parallelogrammgestängen in festen Beziehungen zueinander zu halten, und daß ferner Einrichtungen (25, 26, 27) vorhanden sind, die ge-.

eignet sind, den Pantographen lineare Eingangsbewegungen in allen drei Dimensionen zu erteilen, so daß es möglich ist, eine dreidimensionale Bewegung eines an den Pantographen befestigten Werkzeugs (30) oder dergl, in der Weise herbeizuführen, daß seine räumliche Orientierung unverändert gehalten wird.
2. Manipulator mit einem Pantographengestängesystern, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Pantographengestänge (1, 2, 4, 5) vorhanden sind, die betriebsmäßig so miteinander gekuppelt sind, daß sie als einander gegen-

-2-

] überliegende Glieder eines Parallelogrammgestänges

zur Wirkung kommen, und daß jedes Pantographengestänge· system auf bekannte Weise einen ersten Arm (1) und einem zweiten Arm (2) umfaßt, wobei zu jedem Arm zwei Gestängeglieder (1, 11 bzw. 2, 12) gehören, die betriebsmäßig so miteinander gekuppelt sind, daß sie als Parallelogrammgestänge zur Wirkung kommen, und daß Einrichtungen (25, 26, 27) vorhanden sind, die geeignet sind, den Pantographengestängen lineare Eingangs-ΙΟ bewegungen in allen drei Dimensionen zu erteilen, so daß es möglich ist, ein an den Pantographengestängen befestigtes Werkzeug (30) oder dergl. zu bewegen, \\ό-bei seine räumliche Orientierung unverändert gehalten wird.
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3. Manipulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Einrichtungen zum Herbeiführen der Eingangsbewegungen drei Schrittmotoren (25, 26, 27) gehören, von denen jeder dazu dient, eine Gewindespindel oder dergl. zu betätigen, um Bewegungen längs zueinander rechtwinkliger Achsen hervorzurufen.