DE3227508A1

DE3227508A1 - Vorrichtung fuer einen robotermanipulator

Info

Publication number: DE3227508A1
Application number: DE19823227508
Authority: DE
Inventors: Ole 4340 Bryne Molaug
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-10-05
Filing date: 1982-07-23
Publication date: 1983-04-28
Also published as: BR8207889A; FI73616C; WO1983001222A1; FI823074A0; DK153128B; NO148986C; SE8205499L; FI823074L; NO813365L; FI73616B; DE3227508C2; IT1152692B; SU1304741A3; GB2107279B; CH660997A5; GB2107279A; AU564096B2; CA1207356A; FR2513926B1; MX156892A

Description

VON KREISLER SCHÖNWÄLD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

PATENTANWÄLTE Öle Molaug Dr.-Ing. von Kreisler t 1973

Jernbanegaten 4 ^J lcw^ZlS&Soden

Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln

N- 4 3 4 0 BryΠ e , Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln

Dipl.-Ing. G. Selling, Köln

Norwegen _Dr, _H.._{K- Wernerv Kö}|_n

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

22. Juli 1982

Sg-fz Vorrichtung für einen Robotermanipulator

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Robotermanipulator, der einen aus mehreren Gliedern bestehenden, drehbar auf einer Schwenbasis montierten Manipulatorarm aufweist, dessen vorderer Teil über ein Dreipunktgelenk mit einem hinter dem vorderen Teil angeordneten Teil des Manipulatorarmes derart verbunden ist, daß der vordere Teil in einem bestimmten Winkelbereich in allen möglichen Richtungen in Bezug auf den hinter ihm angeordneten Teil des Manipulatorarmes schwenkbar ist, wobei die Schwenkbewegungen mittels zweier in Längsrichtung verschiebbarer, im wesentlichen paralleler Stangen erfolgt, die mit ihren einen Enden gelenkig an dem vorderen Teil des Manipulatorarmes angreifen und zwei Punkte des Dreipunktge- lenks bilden, während der dritte Punkt aus einem Universalgelenk besteht, und wobei der Manipulatorarm mit einem Werkzeughalter durch ein System mit hydraulischen Servozylindern gesteuert ist.

Bei solchen Robotermanipulatoren erfolgt die Programmierung des Bewegungsablaufs dadurch, daß eine Person den Manipulatorarm festhält und ihn die gewünschten Bewegungen ausführen läßt, die danach gespeichert werden, so daß der Robotermanipulator sie automatisch wiederholen kann.

Ein großer Nachteil der bekannten Robotermanipulatoren dieser Art besteht darin, daß es für eine Person schwierig ist, den Manipulatorarm mit der erforderliehen Präzision während der Programmierung mit der Hand zu führen. Dies liegt teilweise an der Tatsache, daß der Manipulatorarm vergleichsweise schwer ist, weil in seinen verschiedenen Armteilen die hydraulischen Servozylinder für die Bewegung des Manipulatorarms angeordnet sind. Ferner ist die Reibung zwischen den Kolbenstangen und den Kolbenstangenpackungen zur Abdichtung der hydraulischen Servozylinder des Robotermanipulators vergleichsweise groß.

Es ist bereits versucht worden, die oben geschilderten 0 Nachteile zu vermeiden, irüem ein separater passiver Programmierarm mit geringer Masse und Reibung vorgesehen wurde. Da die Bewegungen des Programmierarms auf einer Magnetscheibe oder einem entsprechenden anderen Speichermedium gespeichert werden, kann der Robotermanipulator dieselben Bewegungen nur dann ausführen, wenn er von derselben Magnetscheibe gesteuert wird.

Ein Nachteil des separaten Programmierarms besteht jedoch in den erhöhten Kosten des Robotermanipulators, der mit dem separaten Programmierarm ausgestattet ist. Ein weiterer Nachteil des separaten Programmierarms besteht darin, daß das Werkzeug notwendigerweise in derselben Weise an dem Manipulatorarm und am Programmierarm angebracht werden rn.au. Dies hat in der Praxis zu Schwierigkeiten geführt.

Andere Nachteile der bekannten Robotermanipulatoren 0 dieser Art bestehen darin, daß die Auflösung des Positionsmeßsystemsin den verschiedenen die Schwenkbewegungen des Robotermanipulators steuernden Servosystemen nicht proportional auf den Arbeitsbereich des Manipulatorarmes übertragen werden kann, weil die Linearbewegungen der hydraulischen Servozylinder in Drehbewegungen umgesetzt werden müssen und dies zu einer weniger genauen Reproduzierbarkeit des programmierten Bewegungsmusters führt.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Robotermanipulatoren dieser Art besteht darin, daß die Verbindungen zwischen dem vorderen Teil des Manipulatorarms und den Kolbenstangen der den vorderen Teil in Bezug auf den rückwärtigen Teil des Manipulatorarms bewegenden hydraulischen Servozylinder Kugel/Buchsen-Gelenkverbindungen sind, die teuer und für diesen Zweck mit hinreichender Genauigkeit schwierig herzustellen sind, während gleichzeitig die Bewegungsamplituden in Kugel/Buchsen-Gelenken begrenzt sind.

Ein anderer Nachteil der bekannten Robotermanipulatoren dieser Art beruht darauf, daß die Mittel zur Verhinderung des Verdrehens oder Verwindens der Kolbenstangen relativ zueinander während der Ver-Schiebebewegung nicht sehr effektiv sind.

Aus der Tatsache, daß die hydraulischen Servozylinder bei den bekannten Robotermanipulatoren in dem Manipulatorarm angeordnet sind, ergibt sich der Nachteil, daß aus dem hydraulischen System herabtropfendes öl sich in einigen Fällen höchst unerwünscht auswirken kann, insbesondere bei der Handhabung eßbarer Produkte.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Robotermanipulator der obengenannten Art ohne einen separaten Programmierarm zu schaffen, der die genannten Nachteile nicht aufweist, so daß der Manipulatorarm während der Programmierphase des Bewegungsmusters leicht von Hand mit der erforderlichen Präzision geführt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Robotermanipulator zu schaffen, dessen Servomechanismen im wesentlichen die gleiche Auflösung im Positionsmeßsystem über den gesamten Bewegungsbereich des Robotermanipulators haben, so daß die programmierten Bewegungen mit sehr großer Genauigkeit von dem Robotermanipulator wiederholt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Systemdarstellung des Robotermanipulators,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der mechanischen Anordnung für die Bewegungsübertragung von

einem in der Basis des Robotermanipulators fest angebrachten hydraulischen Servozylinder auf ein innerhalb des Manipulatorarmes des Robotermanipulators längsverschiebbares Gestange, das im vorderen Armbereich des Mani-

pülatorarmes an den Steuerbewegungen teilnimmt,

Fig. 3 eine Seitenansicht des vorderen Endes des Manipulatorarmes, teilweise geschnitten,

Fig. 4 eine Draufsicht des gleichen Teiles des

Manipulatorarms wie in Fig. 3, teilweise geschnitten,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines der hydraulischen Servozylinder des Robotermanipulators, teilweise geschnitten, mit der

zugehörigen, der Einwirkung des Servozylinders ausgesetzten Anordnung, bis hin zu dem drehbaren Schaft, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Bewegungsübertragung von dem hydraulischen Servozylinder zu

dem in Fig. 5 dargestellten drehbaren Schaft.

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In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 die Basis des Robotermanipulators, die drehbar auf einer Fußplatte 2 befestigt ist und mittels eines im Innern der Basis 1 angeordneten ersten hydraulischen Servozylinders 3 um eine vertikale Achse geschwenkt werden kann. Der Servozy linder 3 wirkt über einen ersten Lenker 4 auf einen Kurbelarm 5 ein, der an dem mit der Basis 1 fest verbundenen Schaft 6 fest angebracht ist. Das eine Ende des rückwärtigen Teiles 7 des Manipulatorarmes ist um eine horizontale Achse schwenkbar an der Basis 1 angebracht, während das andere Ende des rückwärtigen Teiles

7 des Manipulatorarms· gelenkig mit einem Zwischenteil

8 des Manipulatorarms verbunden ist. Das äußere Ende des Zwischenteiles 8 ist über ein Universalgelenk 9 (Fig. 3) mit dem vorderen Teil 10 des Manipulatorarms verbunden. Der vordere Teil 10 des aus den Teilen 7, 8 und 10 bestehenden Manipulatorarmes ist mit einem drehbaren Werkzeughalter 11 versehen.

Der rückwärtige Teil 7 des Manipulatorarmes 7,8,10 kann durch einen zweiten hydraulischen Servozylinder 12, der im Innern der Basis 1 angeordnet ist, relativ zu der Basis 1 verschwenkt werden, indem der Servozylinder 12 über einen zweiten Lenker 13 auf einen Kurbelarm 14 einwirkt, der fest mit dem drehbar gelagerten Schaft 15 des rückwärtigen Teils 7 des Manipulatorarms verbunden ist.

Der Zwischenteil 8 des Manipulatorarms 7,8,10 kann durch einen ebenfalls in der Basis 1 angeordneten dritten hydraulischen Servozylinder 16 in Bezug auf den rückwärtigen Teil 7 verschwenkt werden. Der Servozylinder 16 wirkt über einen dritten Lenker 17

auf einen dritten Kurbelarm 18 durch einen an diesem befestigten Vorsprung 19. Der dritte Kurbelarm 18 ist gelenkig mit dem einen Ende einer parallel zum Teil 7 verlaufenden Stange 2 0 verbunden, deren anderes Ende gelenkig mit dem Zwischenteil 8 des Manipulate·rarities 7,8,10 verbunden ist.

Durch drei ähnliche Schaftübertragungsmechanismen kann der vordere Teil 10 des Manipulatorarms 7,8,10 mit drei in der Basis 1 angeordneten hydraulischen Servozylindern bis zu einem gewissen Winkel in allen drei möglichen Richtungen in Bezug auf den Zwischenteil 8 verschwenkt werden und der Werkzeughalter 11 kann um seine Längsachse herum gedreht werden.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur einer der oben genannten drei einander gleichen Kraftübertragungsmechanismen mit dem zugehörigen hydraulischen Servozylinder in der Zeichnung dargestellt. Dieser Servozylinder trägt das Bezugszeichen 21 und wird im folgenden als vierter hydraulischer Servozylinder bezeichnet.

Die Bewegungen des vorderen Teiles 10 werden durch zwei in Längsrichtung verschiebbare Steuerstangen verursacht, die in dem Mittelteil des Manipulatorarms 7,8, 10 angeordnet sind und von denen aus Gründen der übersichtlichkeit in Fig. 1 nur eine, nämlich diejenige mit dem Bezugszeichen 22, dargestellt ist. Die andere der beiden Steuerstangen ist in den Fig. 3 und 4 erkennbar. Sie trägt das Bezugszeichen 23.

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Die Drehung des Werkzeughalters 11 um seine Längsachse erfolgt durch Einwirkung einer nach demselben bekannten Prinzip wie ein Pumpenlaufrad wirkenden Vorrichtung auf seine längsverschiebbare Steuerstange. Die letztgenannte Steuerstange, die in den Fig. 3 und 4 dargestellt und mit 2 4 bezeichnet ist, ist ebenfalls in dem Zwischenteil 8 des Manipulatorarms 7,8,10 angebracht, jedoch in Fig. 1 nicht dargestellt.

Die längsverschiebbare Steuerstange 22 kann auch durch den vierten hydraulischen Servozylinder 21 und einen Kraftübertragungsmechanismus ersetzt werden, wie er nachfolgend noch im einzelnen erläutert wird.

Die Kolbenstange des Servozylinders 21 ist über eine noch näher zu beschreibende Führung schwenkbar mit dem einen Ende eines vierten Lenkers 25 verbunden, dessen anderes Ende gelenkig an einem Vorsprung 26 einer Seilzugscheibe 27 befestigt ist. Die Seilzugscheibe 27 ist in der Basis 1 drehbar gelagert und wirkt ebenfalls als Kurbelarm. An der Seilzugscheibe 27 ist das Ende eines ersten Drahtes 28 befestigt, der um die vordere Umfangsseite der Seilzugscheibe 27 herumgeführt ist und über die rückwärtige Umfangsseite einer ersten in der Basis T vorgesehenen drehbar gelagerten Führungsrolle 29 zu einer zweiten drehbar gelagerten Führungsrolle 30 läuft, die am äußeren Ende des rückwärtigen Teiles 7 des Manipulatorarmes 7,8,10 angeordnet ist. Der Draht 2 8 wird von der

Führungsrolle 30 nach hinten umgelenkt und sein Ende ist an dem rückwärtigen Ende einer Schiene 31 befestigt, Das vordere Ende der Schiene 31 ist gelenkig an einem Schwingarm 32 angebracht, der seinerseits schwenkbar an dem Zwischenteil 8 des Manipulatorarms 7,8,10 befestigt ist. Das rückwärtige Ende der längsverschiebbaren Steuerstange 22 ist ebenfalls an dem Schwingarm 32 angelenkt.

An der Seilzugscheibe 27 sind ein zweiter und dritter Draht 33 und 34 befestigt, die um die rückwärtige Umfangsflache der Seilzugscheibe 27. herumgeführt sind, d.h. an der dem Draht 2 8 entgegengesetzten Seite der ümfangsfläche. Diese Drähte sind um die vordere Umfangsfläche einer dritten drehbar in der Basis 1 gelagerten Führungsrolle herumgeführt. Sie laufen durch den rückwärtigen Teil 7 des Manipulatorarmes, sind um den rückwärtigen Teil der Umfangsflache der Führungsrolle 30 herumgelegt, nach vorne abgebogen und an dem vorderen Ende der Schiene 31 befestigt. Auf diese Weise sind die Drähte 33 und 34 über ihren gesamten Verlauf parallel verlegt. Der erste Draht 28 hat über den gesamten Weg einen Verlauf, der in einer Ebene rechtwinklig zu den Drehachsen der Seilzugscheibe 27 und der Führungs- oder Umlenkrollen 29,30, 35 liegt»und er verläuft zwischen den parallelen Drähten 3 0 und 34. Infolge der Tatsache, daß der erste Draht 28 am oberen Ende der zweiten Drahtführungsrolle 3 0 zwischen dem zweiten Draht 33 und dem vierten Draht 34 hindurchläuft, erfolgt der Drahtzug auf die Schiene 31 nicht schräg. Die Schiene 31 ist ferner mit in der Zeichnung nicht dargestellten Spannvorrichtungen für die Drähte 28,33 und 34 versehen.

- IrO -

Der oben beschriebene Kraftübertragungsmechanismus zur Kraftübertragung von dem vierten hydraulischen Servozylinder 21 in der Basis auf die längsverschiebbare Steuerstange 2 0 im Zwischenteil 8 des Manipulatorarmes 7,8,10 ist derart ausgebildet, daß der rückwärtige Teil 7 des Manipulatorarms 7,8,10 in Bezug auf die Basis 1 verschwenkt werden kann und daß der Zwischenteil 8 in Bezug auf den rückwärtigen Teil 7 verschwenkt werden kann, ohne daß auf die Drähte 28,33 und 34 eingewirkt wird, so daß die Steuerstange 22 im Zwischenteil 8 hierbei nicht in Längsrichtung verschoben wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die erste und die dritte Führungsrolle 2 9 und 35 in der Basis 1 im gleichen oder wenigstens im wesentlichen gleichen Abstand von der Lagerstelle der zugehörigen Drahtzugscheibe 27 in der Basis 1 angeordnet sind und daß der rückwärtige Teil 7 in der Basis 1 so gelagert ist, daß die Schwenkachse des rückwärtigen Teils 7 vorzugsweise in der Nähe der gemeinsamen Mittellinie zwischen der Führungsrolle 29 und der dritten Führungsrolle 25 liegt und z.B. 1/36 des Durchmessers der Führungsrollen 2 9,35 unterhalb der Achsebene, so daß die Schwenkachse des rückwärtigen Teils 7 von den Drehachsen der ersten und der zweiten Führungsrolle 29,35 gleichweit entfernt ist, während gleichzeitig der Durchmesser der ersten und dritten Führungsrollen 29, 35 so gewählt ist, daß jeweils so viel Draht 2 8 oder 33,34 auf die Führungsrollen 29 bzw. 35 aufgewickelt wird, wobei der Abstand der Mitten zwischen den Führungsrollen 29 bzw. 35 und der zweiten Führungsrolle 30 infolge der Bewegung des rückwärtigen Teils 7 verkürzt wird, daß die Drahtspannung konstantgehalten wird, und daß so viel Draht 33,34 bzw. 38 von

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- Vi' -

der jeweiligen Führungsrolle 35 oder 29 abgewickelt wird, wenn sich der Abstand der Mitten bei einer Verschwenkung des rückwärtigen Teils 7 vergrößert, daß die Drahtspannung konstantgehalten rfird. Dies bedeutet insgesamt, daß die zweite Führungsrolle bei Schwenkbewegungen des rückwärtigen Teils 7 in Bezug auf die Basis 1 nicht gedreht wird und daß die Schiene 31 nicht in Längsrichtung verschoben wird. Die zweite Führungsrolle 30 ist ferner in einem Abstand von der Schwenkachse zwischen dem rückwärtigen Teil 7 und dem Zwischenteil 8 angeordnet, der gleich oder im wesentlich gleich dem Radius der zweiten Führungsrolle 3 0 ist, und an einer Stelle auf der Geraden die die Schwenkachse und die Schwenkachse des rückwärtigen Teils 7 in der Basis 1 verbindet. Gleichzeitig ist der Durchmesser der zweiten Führungsrolle 30 so gewählt und die Schwenkachse des Schwenkarmes 32 ist in Bezug auf die Schwenkachse zwischen dem rückwärtigen Teil 7 und dem Mittelteil 8 so angeordnet, daß bei einer Bewegung des Mittel-0 teils 8 in Bezug auf den rückwärtigen Teil 7 jeweils so viel Draht 28,33,34 auf die zweite Führungsrolle 30 aufgewickelt und von dieser abgewickelt wird, daß die Drahtspannung konstantgehalten wird, wenn der Abstand zwischen der Drehachse der zweiten Führungsrolle 3 0 und dem Verbxndungspunkt zwischen dem Schwenkarm 3 2 und der Schiene 31 sich infolge der Bewegung des Mittelteils 8 in Bezug auf den rückwärtigen Teil 7 verändert. Dies bedeutet, daß die Schiene 31 sich infolge von Bewegungen des Mittelteils 8 in Bezug auf den rückwärtigen Teil 7 0 nicht in Längsrichtung verschiebt.

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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Durchmesser der ersten Führungsrolle 29 und der dritten Führungsrolle 35 4/5 des Durchmessers der zweiten Führungsrolle 30 beträgt und wenn der Abstand zwischen der Schwenkachse des rückwärtigen Teils 17 in der Basis 1 und der Drehachse der zweiten Führungsrolle 3 mindestens das Fünffache des Durchmessers der zweiten Führungsrolle 30 beträgt.-Die Seilzugscheibe 27 muß so groß sein, daß die Drähte 29,33 und 3 4 niemals ihren jeweiligen Kontakt mit der ersten Führungsrolle 29 bzw. der zweiten Führungsrolle 35 verlieren, wenn der rückwärtige Teil 7 des Manipulatorarmres 7,8,10 innerhalb des zulässigen Bewegungsbereiches relativ zur Basis 1 bewegt wird.

im folgenden wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 erläutert, wie der vordere Teil des Manipulatorarms 7,8,10 des Robotermanipulators und der Werkzeughalter 11 mit den drei längsverschiebbaren Steuerstangen 22,23 und 24, die im Mittelteil 8 des Manipulatorarms 7,8,10 angeordnet sind, verbunden ist und von diesen bewegt wird.

Der vordere Teil des Manipulators 7,8,10 kann in Bezug auf den Mittelteil 8 um die Achsen A-A und B-B in den Fig. 3 und 4 mittels des Universalgelenks 9 geschwenkt werden. Das Universalgelenk 9 ist vor einer Spindel 36 angeordnet, die in dem Mittelteil 8 drehbar gelagert ist und deren Vorderteil Bestandteil des Universalgelenks 9 ist.

Der Werkzeughalter 11 ist über das Universalgelenk 9 mit der drehbaren Spindel 36 verbunden. Auf das rückwärtige freie Ende der Spindel 36 ist eine Schraube 37 aufgeschraubt, deren freies Ende in einer sogenannten (nicht~selbsthemmenden) Kugelbuchse 3 8 enthalten ist, die an dem freien vorderen Ende der verschiebbaren Steuerstange 24 angebracht ist. Wenn die Steuerstange 24 und daher auch die Kugelbuchse 38 in Längsrichtung verschoben werden, indem der zugehörige hydraulische Servozylinder in der Basis 1 betätigt wird, wird die Schraube 37 nach dem gleichen Prinzip gedreht, wie die Spindel in einem Pumpenlaufrad, wodurch der Werkzeughalter 11 entsprechend gedreht wird.

Der vordere Teil 10 des Manipulatorarmes 7,8,10 ist mit einem querstehenden Lagergehäuse 3 9 versehen, in dem ein Zapfen 40 drehbar gelagert ist. Der Zapfen 4 0 ist in dem Lagergehäuse 39 gegen Längsverschiebungen gesichert. Die freien Enden der längsverschiebbaren Steuerstangen 22 und 23 sind jeweils gelenkig mit einem Ende des Zapfens 40 verbunden.

Die beiden Gelenkverbindungen zwischen dem Zapfen 40 und den Führungsstangen 22 und 23 bilden zwei der drei Punkte eines Dreipunktgelenks zwischen dem vorderen Teil 10 des Manipulatorarms 7,8,10 und dem Mittelteil 8,der dahinter angeordnet ist. Der dritte Punkt des Dreipunktgelenks besteht aus dem Universalgelenk 9.

Wenn der vordere Teil 10 des Manipulatorarms 7,8,10 in Bezug auf den Mittelteil des dahinter angeordneten Mittelteils 8 des Manipulatorarms 7,8,10 um die Achse B-B verschwenkt werden soll, werden die Steuerstangen 22 und 23

gleichermaßen verschoben. Wenn der vordere Teil 10 des Manipulatorarms 7,8,10 in Bezug auf den Mittelteil 8 um die Achse A-A verschwenkt werden soll, werden die Steuerstangen 22 und 2 3 relativ zueinander, bzw. gegensinnig, verschoben. Es ist ersichtlich, daß der vordere Teil 10 des Manipulatorarms 7,8,10 innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs auf alle möglichen Richtungen in Bezug auf den Mittelteil 8 des Manipulatorarms 7,8,10 verschwenkt werden kann, indem die Steuerstangen 22 und 23 auf unterschiedliche Weise verschoben werden.

Um zu verhindern, daß die Steuerstangen 22 und 23 sich während ihrer Verschiebung zueinander verdrehen bzw. verwinden, ist in der Nähe der Verbindungen der Steuerstangen 22 und 2 3 mit dem Zapfen 4 0 ein Querstück 41 angeordnet, dessen eines Ende gelenkig mit der Steuerstange 2 2 und dessen anderes Ende gelenkig mit der Steuerstange 23 verbunden ist. Das Querteil 41 weist in seiner Mitte eine in Längsrichtung der Steuerstangen 22,23 verlaufende Ausnehmung 42 auf.

In die Ausnehmung 42 ragt das freie Ende eines Stiftes 43 hinein, der starr mit dem Mittelteil 8 des Manipulatorarms 7,8,10 in der Weise verbunden ist, daß die Verlängerung der Mittellinie 44 des Stiftes 42 durch die Mittellinie 45 der Spindel 36 hindurchgeht.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß sämtliche hydraulischen Servozylinder des Robotermanipulators in der Basis 1 des Robotermanipulators angeordnet sind und daß die Linearbewegungen sämtlicher hydraulischer Servozylinder jeweils mittels einer Kurbeleinrichtung in Schwenkbewegungen umge-

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setzt werden. Damit die Servosysteme des Robotermanipulators zufriedenstellend arbeiten, ist es wichtig, daß ihre Positionsmeßsysteme möglichst eng mit den hydraulischen Servozylindern verbunden sind und daß die Servomechanismen im wesentlichen die gleiche Auflösung des Positionsmeßsystems über den gesamten Bewegungsbereich des Werkzeughalters 11 haben. Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß alle Servosysteme des Robotermanipulators eine Einrichtung haben, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 erläutert wird. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 46 irgendeinen der hydraulischen Servozylinder des Robotermanipulators. Der Servozylinder 46 ist in der Basis 1 des Robotermanipulators starr bzw. fest montiert. In Fig. 5 ist dieses Basis nicht dargestellt. Die Kolbenstange 47 des Servozylinders 46 ist mit dem Kolben 4 8 des Servozy linders 46 fest verbunden. Dieser Kolben weist Dichtnuten (Druckverteilnuten) 49 auf. Am anderen Ende ist die Kolbenstange 47 des Servozylinders 46 fest mit einer Führung 50 verbunden, die mit rollender Reibung 51 in festen Führungen 52 gleitet. An der Führung 5 0 ist ein Ende eines Lenkers 53 gelenkig befestigt, dessen anderes Ende gelenkig an dem Kurbelarm 5 4 angreift, welcher fest mit einem der Basis 1 des Robotermanipulators schwenkbar gelagerten Schaft 55 verbunden ist. Das Meßsystem des Servozylinders 46 das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist mittels eines Stahldrahtes 56 mit einem von der Führung 50 abstehenden Vorsprung 57 verbunden.

Als Folge davon, daß die Länge a des Kurbelarmes 54 und die Länge b des Lenkers 5 3 und der Abstand c

zwischen der Drehachse des Schaftes 55 und der Mittellinie der Kolbenstange 47 im Verhältnis a : 1,80a : 1,33a zueinander stehen und daß der Abstand d zwischen der Schwenkachse des Lenkers 53 an der Führung 5 0 in deren äußerster Stellung und dem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie der Kolbenstange 47 und einer rechtwinklig hierzu durch die Drehachse des Schaftes 55 verlaufenden Linie 0,39a beträgt, und daß die Hublänge des Servozylinders 6 4 1,66a beträgt, wird erreicht, daß die lineare Kolbenbewegung des Servozylinders in eine Drehbewegung des Schaftes 55 umgesetzt wird, so daß die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Schaftes 55 und den entsprechenden Positionsänderungen des Kolbens 48 des Servozylinders 46 über den gesamten Arbeitsbereich des Servozylinders 46 im wesentlichen konstant ist.

Die oben beschriebene im wesentlichen lineare Bewegungsübertragung von dem Servozylinder 46 auf den drehbaren Schaft 55 ist graphisch in Fig. 6 darge-0 stellt. Die in das Koordinatensystem eingetragene Kurve gibt den Winkel V als Funktion des Abstandes der Führung 5 0 von dem Lot der Mittellinie des Schaftes 55 an, wenn die Hublänge e des Servozylinders 46 auf 2 00 mm eingestellt ist. Die beiden tatsächliehen Bemessungen d und e sind auf der Abszisse aufgetragen.

Nach der Erfindung wird die Reibung zwischen der Kolbenstange 47 und der Kolbenstangenpackung 59 in sämtlichen hydraulischen Servozylinders 46 des Robotermanipulators durch eine spezielle Anordnung auf ein Minimum reduziert, wodurch der Durchmesser

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der Kolbenstange 47 kleiner gemacht werden kann als für eine in konventioneller Weise frei montierte Kolbenstange durch die Biegegrenze vorgegeben ist. Diese Anordnung ist in Fig.5 dargestellt und wird nachstehend im einzelnen erläutert. Es ist schon darauf hingewiesen worden, daß die Kolbenstange 47 starr mit dem Kolben 48 des Servozylinders 46 verbunden ist und daß die Kolbenstange 47 am anderen Ende mit einer Führung 50 verbunden ist, die mit rollender Reibung 51 in festen Führungen 52 gleiten kann. Auf der Seite der Kolbenstange ist der Servozy linder 46 mit einem Endstück 58 versehen, in dem zusätzlich zu einer Kolbenstangenpackung 59 eine Kugelbuchse 6 0 befestigt ist, durch die die Kolbenstange 47 hindurchführt. Die Kugelbuchse 6 0 ist so lang, daß der im Innern der Kugelbuchse 6 0 befindliche Teil der Kolbenstange 47 jederzeit so wirkt, als wäre er fest. Da die Kolbenstange 47 an beiden Enden befestigt ist, ist es möglich, den Durchmesser der Kolbenstange im Vergleich zu dem Durchmesser einer Kolbenstange, die an beiden Enden frei montiert ist und im Hinblick auf Biegebeanspruchungen bemessen werden muß, erheblich zu reduzieren. Auf diese Weise kann z.B. der Durchmesser der Kolbenstange von 2 0 mm auf 8 mm verringert werden.

Dies bedeutet, daß der Umfang der Kolbenstange von 62,8 mm auf 25,1 mm verringert wird. Da die Reibung zwischen der Kolbenstange und der Packung dem Druck der Packung pro Flächeneinheit proportional ist, wird die Reibung entsprechend herabgesetzt.

Leerseite

Claims

ANSPRÜCHE

Vorrichtung für einen Robotermanipulator, der einen aus mehreren Gliedern bestehenden, drehbar auf einer Schwenkbasis (1) montierten Manipulatorarm (7,8,10) aufweist, dessen vorderer Teil (10) über eine Dreipunktverbindung mit einem hinter dem vorderen Teil (10) angeordeneten Teil (8) des Manipulatorarmes (7,8,10) derart verbunden ist, daß der vordere Teil (10) in einem bestimmten Winkelbereich in allen möglichen Richtungen in bezug auf den hinter ihm angeordneten Teil (8) des Manipulatorarmes (7,8,10) schwenkbar ist, wobei die Schwenkbewegungen mittels zweier in Längsrichtung verschiebbarer, im wesentlichen paralleler Stangen (22,23) erfolgt, die mit ihren einen Enden gelenkig an dem vorderen Teil (10) des Manipulatorarmes (7,8,10) angreifen und zwei Punkte eines Dreipunktgelenkes bilden, während der dritte Punkt aus einem Universalgelenk (9) besteht, und wobei der Manipulatorarm (7,8,10) mit einem Werkzeughalter (11) durch ein System mit hydraulischen Servozylindern (4 6) gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Servozylinder (46) in der Basis (1) des Robotermanipulators angeordnet sind und daß zwischen dem Werkzeughalter (11) oder den jeweiligen Teilen des Manipulatorarmes (7,8,10) und dem zugehörigen Servozylinder (46), bzw. den Servozylindern (46), mechanische Kraftübertragungseinrichtungen angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Teil (10) des Manipulatorarmes (7,8, 10) ein querverlaufendes Lagergehäuse (39) aufweist, in dem ein Zapfen (4 0) drehbar und unverschiebbar gelagert ist, und daß an jedem Ende des Zapfens (40) das eine Ende einer Steuerstange (22 bzw. 23) gelenkig angreift, die in dem hinter dem vorderen Teil angeordneten Teil (8) des Manipulatorarmes (7,8,10) längsverschiebbar angebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Verbindung der Steuerstangen (22,23) mit dem Zapfen (40) ein Querteil (41) angeordnet ist, das mit jeder Steuerstange (22,23) gelenkig verbunden ist und eine in Längsrichtung der Steuerstangen (22,23) verlaufende Ausnehmung (42) aufweist, das in die Ausnehmung (42) das freie Ende eines fest mit dem Mittelteil (8) des Manipulatorarmes (7,8,10) verbundenen Stiftes (43) gleitend eingreift, derart, daß die Verlängerung der Mittellinie (44) des Stiftes (43) durch die Mittellinie (45) einer in den Mittelteil (8) angeordneten und mit dem Universalgelenk (9) verbundenen Spindel (36) hindurchgeht.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearbewegungen der Servozylinder (46) in eine Drehbewegung umgesetzt werden, die über den gesamten Arbeitsbereich der Servozylinder (56) im wesentlichen proportional zu den Linearbewegungen sind, und daß die Umsetzung mit einem Kurbelarm (54) erfolgt, dessen eines Ende fest mit einem drehbaren Schaft (55) und dessen anderes

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Ende gelenkig mit einem Ende eines Lenkers (53) verbunden ist, dessen anderes Ende gelenkig mit einem in einer festen Führung (52) gleitenden Führungsstück (50) verbunden ist und das mit der Kolbenstange (4 7) des Servozylinders (4 6) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge a des Kurbelarmes (54), die Länge (b) des Lenkers (53) und der Abstand (c) zwischen der Drehachse der Spindel (55) und der Mittellinie der Kolbenstange (47) im Verhältnis a:180a:1,33a zueinander stehen, daß der Abstand (d) zwischen der Schwenkachse des Lenkers (53) in dem Führungsstück (50) , wenn dieses sich in der äußeren Stellung befindet, und dem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie der Kolbenstange (47) und einer hierzu rechtwinkligen, durch die Drehachse der Spindel (55) hindurchgehende Mittellinie 0,39a beträgt, und daß die Hublänge (e) des Servozylinders (46) 1,66a beträgt, wodurch erreicht wird, daß die lineare Kolbenbewegung des Servozylinders in eine lineare Drehbewegung der Spindel (55) umgesetzt wird, so daß die Beziehung zwischen dem Drehwinkel der Spindel (55) und den entsprechenden Positionsänderungen des Kolbens (48) des Servozylinders (46) im wesentlichen über den gesamten Arbeitsbereich des Servozylinders

(46) konstant ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rückwärtige Ende einer jeden der beiden in Längsrichtung im Mittelteil

(8) des Manipulatorarmes (7,8,10) verschiebbare Steuerstangen (22,23) und das rückwärtige Ende einer in Längsrichtung verschiebbaren, im wesentlichen parallel

zu den Steuerstangen (22,23) verlaufenden weiteren Steuerstange zur Drehung des Werkzeughalters (11) um seine Längsachse über eine Kugelbuchsenvorrichtung (38) und ein Universalgelenk (9) jeweils an einem an dem Mittelteil (8) gelenkig angebrachten Schwingarm (32) angreifen, und daß jeder der Schwingarme (32) gelenkig mit einer in Längsrichtung verschiebbaren Schiene (31) verbunden ist, von der er verschwenkt werden kann und an derem rückwärtigen und vorderen Ende jeweils ein erster Draht (28) und ein zweiter und dritter Draht (33,34) befestigt sind, daß die Drähte jeweils nach vorn oder hinten über eine zweite Führungsrolle (30) geführt sind, die an dem rückwärtigen Teil (7) soweit unter dessen Gelenkverbindung mit dem Mittelteil (8) angeordnet ist,wie dem Radius der zweiten Führungsrolle (30) entspricht, daß der erste Draht (28) weiterhin um den rückwärtigen Teil einer an der Basis (1) drehbar angebrachten Führungsrolle (29) und um den vorderen Teil einer ebenfalls drehbar an der Basis (1) angebrachten Seilzugscheibe (27) herumgelegt ist, daß der erste Draht (28) an der Seilzugscheibe befestigt ist, während gleichzeitig der zweite und der dritte Draht (33,34) um den vorderen Teil einer drehbar an der Basis (1) angebrachten dritten Führungsrolle (35) und um den rückwärtigen Teil der Seilzugscheibe (27) herumgelegt sind, an welcher der zweite und der dritte Draht (33,34) befestigt sind, wobei jede der drei Seilzugscheiben (27) des Robotermanipulators von einem in der Basis (1) angeordneten Servozylinder (21) drehbar ist.

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7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Drehbewegungen über Drähte (28,33,34), Stahlbänder, Ketten o.dgl. von der in der Basis (1) gelagerten Seilzugscheibe (27) über die in der Basis (1) gelagerten ersten und dritten Führungsrollen (29,35) und die am oberen Ende des rückwärtigen Teiles (7) des Manipulatorarmes (7,8,10) gelagerte zweite Führungsrolle (30) in Linearbewegungen der Schiene (31) derart umgesetzt werden, daß Bewegungen des rückwärtigen Teils

(7) in Bezug auf die Basis (1) die Übertragung nicht beeinflussen,daß hierzu die erste und dritte Führungsrolle (29,35) in der Basis (1) in gleichem oder im wesentlichen gleichem Abstand von der Seilzugscheibe (27) angeordnet sind und der rückwärtige Teil

(7) an der Basis (1) so befestigt ist, daß die Schwenkachse des rückwärtigen Teils (7) vorzugsweise nahe an der gemeinsamen Mittellinie der ersten und dritten Führungsrolle (29,35), z.B. 1/36 des Durchmessers der Führungsrollen (29,35) unterhalb, liegt, so daß die Schwenkachse des rückwärtigen Teils (7) gleich weit von den Drehachsen der ersten und dritten Führungsrolle (29,35) entfernt ist, während gleichzeitig der Durchmesser der ersten und dritten Führungsrolle (29,35) so gewählt ist, daß auf die Führungsrolle (29 bzw. 35) ,bei der sich der Mittenabstand zwischen der Führungsrolle und der zweiten Führungsrolle (30) infolge der Bewegung des rückwärtigen Teils (7) verkürzt, so viel Draht (28 bzw. 33,34) aufgewickelt wird, daß die Drahtspannung konstantgehalten wird, und daß von derjenigen Führungsrolle (35 bzw. 29), bei der sich infolge der Bewegung des rückwärtigen Teils (7) der Mittenabstand zu der zweiten Führungsrolle (30) ver-

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größert, so viel Draht (33,34 bzw. 28) abgewickelt wird, daß die Drahtspannung konstant bleibt, wodurch insgesamt durch Bewegungen des rückwärtigen Teils (7) in Bezug auf die Basis (1) die zweite Führungsrolle (30) nicht gedreht und die Schiene (31) nicht in Längsrichtung verschoben wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der ersten und dritten Führungsrollen (29,35) 4/5 des Durchmessers der zweiten Führungsrolle (30) beträgt und daß der Abstand zwischen der Schwenkachse des rückwärtigen Teils (7) in der Basis (1) und der Drehachse der zweiten Führungsrolle (30) mindestens fünfmal so groß ist wie der Durchmesser der zweiten Führungsrolle (30), während gleichzeitig die Seilzugscheibe (27) so groß ist, daß die Drähte (28 bzw. 33,34) nie den Kontakt zwischen der ersten und der dritten Führungsrolle (2 9 bzw.

35) verlieren, wenn der rückwärtige Teil (7) des Manipulatorarmes (7,8,10) relativ zu der Basis (1) innerhalb des Schwenkbereiches bewegt wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegungen über Drähte (28,33,34), Stahlbänder, Ketten o.dgl. von der in der Basis (T) angeordneten Seilzugscheibe über die in der Basis (1) gelagerte erste und dritte Führungsrolle (29,35) und die am oberen Ende des rückwärtigen Teils (7) des Manipulatorarmes (7,8,10) angeordnete zweite Führungsrolle in Linearbewegungen der Schiene (31) derart umgesetzt werden, daß die Bewegungen des Mittelteils (8) in

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Bezug auf den rückwärtigen Teil die Übertragung nichtbeeinflussen, daß hierzu die zweite Führungsrolle (30) an dem rückwärtigen Teil (7) in einer Entfernung von der Schwenkachse des rückwärtigen Teils (7) in Bezug auf den Mittelteil (8)

die gleich oder im wesentlichen gleich dem Radius der zweiten Führungsrolle (3 0) , und vorzugsweise auf der Geraden zwischen der genannten Schwenkachse und der Schwenkachse für den rückwärtigen Teil (7) relativ zur Basis (1)/ liegt, während gleichzeitig der Durchmesser der zweiten Führungsrolle (30) so bemessen und die Schwenkachse des Schwenkarmes (32) in Bezug auf die Schwenkachse zwischen dem rückwärtigen Teil (7) und dem Mittelteil (8) so angeordnet ist, daß bei einer Bewegung des Mittelteils (8) in Bezug auf den rückwärtigen Teil (7) jeweils so viel Draht (28,33,34) auf die zweite Führungsrolle (3 0) aufgewickelt und von dieser abgewickelt-wird, daß die Drahtspannung konstantgehalten wird, wenn der Abstand zwischen der Drehachse der zweiten Führungsrolle (30) und dem Verbindungspunkt zwischen dem Schwenkarm (32) und der Schiene (31) infolge der Bewegung des Zwischenteils (8) in Bezug auf den rückwärtigen Teil (7) verändert wird, wodurch die Schiene (31) infolge von Bewegungen des Mittelteils (8) in Bezug auf den rückwärtigen Teil (7) nicht in Längsrichtung bewegt wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Servozylinder

(46) des Robotermanipulators eine Kolbenstange (47) haben, deren Durchmesser unter die Biegegrenze für konventionelle frei abstehende Kolbenstangen reduziert ist, daß die Kolbenstange (47) an einem Ende starr mit dem Kolben (48) des Servozylinders (4 6) und an dem anderen Ende starr mit einem Führungsstück (5 0) verbunden ist und daß das Führungsstück (50) in festen Führungen (52) geführt ist, wodurch der Kontaktbereich und dadurch auch die Reibungsfläche zwischen Kolbenstange (47) und der die Kolbenstange umgebenden Packung (59) verringert ist.
11.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der festen Einspannung der Kolbenstange (47) zu beiden Enden eine Kugelbuchse (60) angeordnet ist, durch die die Kolbenstange

(47) hindurchgeführt ist,und daß die Kugelbuchse (60) so lang ist, daß der innerhalb der Kugelbuchse (6,0) liegende Teil der Kolbenstange (47) jederzeit so wirkt, als wäre er fest eingespannt.