DE3303497A1

DE3303497A1 - Mehrgelenk-manipulator

Info

Publication number: DE3303497A1
Application number: DE19833303497
Authority: DE
Inventors: Yuichi Himeji Hyogo Kiryu; Tadashi Sagamihara Kanagawa Sawada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-02-05
Filing date: 1983-02-02
Publication date: 1983-09-08
Also published as: GB2114536B; US4500251A; GB8303032D0; GB2114536A

Description

D-8Ö90 Muneh'eri feo Sckellstrasse 1

" * · Telefon (089J -44Ö24 96

Telex 5215935 Telegramme patemus munchen

Patentanwalt Dr.-lng. R. Liesegang

zugelassen beim Europäischen Patentamt - admitted to the European Patent Office — Mandataire agreö aupres I Oflice European des Brevets

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Mehrgelenk-Manipulator

Die Erfindung betrifft einen Mehrgelenk-Manipulator mit Ober- und Unterarm. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Mehrgelenk-Manipulator, bei welchem das Primärmoment, welches durch die Gesamtschwerkraft des Unterarms erzeugt wird, der von einem Ellbogengelenk zur schwenkbaren Verbindung des Oberarms mit dem Unterarm unterstützt ist und am freien Ende eine Arbeitsvorrichtung aufweist, dadurch minimiert wird, daß ein dem Primärmoment entgegengerichtetes Moment erzeugt wird, so daß die Belastung eines Elektromotors zum Antreiben des Ellbogengelenks vermindert wird.

Allgemein stellt ein Mehrgelenk-Manipulator ein Gerät dar, welches in Fig. 1 von der Seite gesehen dargestellt ist.

Bei dem Mehrgelenk-Manipulator nach Fig. 1 ist ein Hauptkörper 2 auf einer Grundplatte 1 montiert, die am Boden so befestigt ist, daß sie um eine zum Boden ebene senkrechte Achse gedreht werden kann; ein Ende eines Oberarms "4 ist schwenkbar von einem Schultergelenk 3 des Hauptkörpers 2 unterstützt; ein Ende eines Unterarms 6 ist schwenkbar an einem Ellbogengelenk 5 am anderen Ende des Oberarms 4 unterstützt, und eine Arbeitsvorrichtung7wie ein drehbarer Greifer, ist am distalen oder freien Ende des Unterarms 6 angeordnet.

Gemäß Fig. 1 ist der Oberarm 4 in Richtung des Doppelpfeiles A um das Schultergelenk als Drehmitte bezüglich des Hauptkörpers mittels einer Antriebsvorrichtung, wie eines Elektromotors,zum Antrieb des Oberarms schwenkbar. Der Unterarm 6 ist in Richtung des Doppelpfeiles B um das Ellbogengelenk 5 als Drehmitte bezüglich des Oberarms mittels einer Antriebsvorrichtung, wie eines Elektromotors, zum Antrieb des Unterarms schwenkbar. In Fig. 1 sind der Elektromotor zum Antrieb der Arme und Ubertragungsvorrichtungen nicht eingezeichnet.

Bei dem·Gerät nach Fig. 1 wirkt selbst im Ruhezustand des Oberarms 4 und des Unterarms 6 ein im Uhrzeigersinn drehendes Primärmoment sowohl auf das Schultergelenk als auch auf das Ellbogengelenk 5 aufgrund der Schwerkräfte auf die entsprechenden Elektromotoren zum Antrieb. Wenn diese Motoren angetrieben werden, müssen sie das jeweilige Primärmoment, . wie oben beschrieben, überwinden, was eine nutzlose Belastung ebenso darstellt wie das Sekundärmoment der Masse (Trägheitsmoment). Demgemäß ist es erforderlich, einen Elektromotor und einen Antriebsmechanismus mit größerer Leistung zum Antrieb des gesamten Gerätes und zusätzlich zur Überwindung der nutzlosen Belastung durch das Primärmoment in Vergleich zu einem Fall einzusetzen, bei dem nur das·Sekundärmoment überwunden werden muß..Dies führt zu einer aufwendigen Herstellung und zu nutzlosem Energieverbrauch.

Die Erfindung zielt darauf ab, das durch das Gewicht des Unterarms 6 erzeugte Primärmoment durch eine einfache Konstruktion zu vermeiden. Es wurden bereits zwei Möglichkeiten zum Ausschalten des Einflusses des Primärmomentes vorgeschlagen: ein dynamisches Ausgleichssystem, bei welchem eine die Schwerkraft kompensierende Reaktionskraft mittels Luftdruck, einer Feder o. dgl. auf einen

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Mehrgelenk-Manipulator ausgeübt wird, sowie ein statisches Ausgleichssystem, bei welchem die Masse konstruktiv so verteilt ist, daß die durch die Schwerkraft erzeugten Primärmomente im wesentlichen an den oben beschriebenen Gelenken eliminiert werden. Im folgenden ist das dynamische Ausgleichssystem erläutert.

Das auf das Ellbogengelenk 5 wirkende Primärmoment wird maximal, wenn der Unterarm 6 in horizontaler Stellung steht, und es wird zu Null, wenn der Unterarm vertikal steht.

Demgemäß kann ein dynamisches Ausgleichssystem mit be- . friedigenden Eigenschaften leicht durch Aufbringen einer Kompensationskraft derart geschaffen werden, daß abhängig von dem Relativwinkel zwischen dem Hauptkörper 2 5 und dem Oberarm 4 die maximale Kompensationskräft auf das Schultergelenk 3 ausgeübt wird, wenn der Oberarm 4 horizontal zur Bodenebene steht, und daß keine Kompensationskraft ausgeübt wird, wenn er vertikal steht.

Bezüglich des Ellbogengelenks 5 besteht jedoch keinerlei Einschränkung für die Winkelstellung des Oberarms 4 zur Bodenebene. Es ist deshalb unmöglich, das durch die Schwerkraft erzeugte Primärmoment selbst durch Aufbringen einer mit dem Relativwinkel zwischen Oberarm und Unterarm variierenden Kompensationskraft zu eliminieren. Mit anderen Worten muß der dynamische Ausgleich am Ellbogengelenk 5 durch eine Kompensationskraft geschaffen werden, die vom Relativwinkel des Unterarms 6 zur Boden- · ebene abhängt.

Es ist.Hauptaufgabe der Erfindung, einen exakten dynamischen Ausgleich des Primärmoments am Ellbogengelenk eines Mehrgelenk-Manipulators mittels einer einfachen Konstruktion zu erzielen.

Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, die Belastung

einer Antriebsvorrichtung, wie eines Elektromotors, zum Antreiben des Unterarms eines Mehrgelenk-Manipulators zu vermindern, um eine Verbesserung in wirtschaftlicher Hinsicht zu schaffen.
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Ferner soll mit der Erfindung das auf den Unterarm wirkende Primärmoment eines Mehrgelenk-Manipulators reduziert werden , ohne hierfür spezielle Antriebsquellen und Ubertragungsvorrichtungen nutzen zu müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich ein Mehrgelenk-Manipulator gemäß der Erfindung aus durch einen Oberarm, dessen eines Ende schwenkbar von einem Schultergelenk eines Hauptkörpers so unterstützt ist, daß der Oberarm um das Schultergelenk drehen kann; einen Unterarm, dessen eines Ende von einem Ellbogengelenk am anderen Ende des Oberarms so unterstützt ist, daß der Unterarm um das Ellbogengelenk drehen kann; eine am freien Ende des Unterarms angeordnete Arbeitsvorrichtung; ein am Unterarm angebrachtes ersten Kettenrad, dessen Mitte koaxial mit der Drehmitte des Ellbogengelenks ist; ein zweites, drehbar am Schultergelenk angeordnetes Kettenrad, dessen Mitte koaxial mit der Drehmitte des Schultergelenks ist; eine übertragungsvorrichtung zum Koppeln der beiden Kettenräder 5 derart, daß diese um denselben Drehwinkel verdreht werden und einen Drehmomenterzeuger, dessen eines Ende am Hauptkörper und dessen anderes Ende am zweiten Kettenrad befestigt sind, um ein maximales Drehmoment dann auszuüben, wenn der Unterarm horizontal steht, und ein minimales Drehmoment auszuüben, wenn der Unterarm vertikal steht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer

Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Hauptbestandteile eines Mehrgelenk-Manipulators;

Fig. 2 und 3 Ansichten wie Fig. 1 einer ersten Ausführung eines Mehrgelenk-Manipulators in unterschiedlichen Stellungen und

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer zweiten Aus-' führung eines Mehrgelenk-Mänipulators gemäß

der Erfindung.

Im folgenden sind die bevorzugten Ausführungen des Mehrgelenk-Manipulators nach der Erfindung detailliert beschrieben.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführung der Erfindung. Bei dieser Ausführung ist die Beschreibung eines Mittels zum Eliminieren des auf den Oberarm 4 wirkenden Primärmomentes weggelassen/ gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 1 sind für gleiche oder entsprechende Teile verwendet, und eine nochmalige Beschreibung ist unterlassen.

In den Fig. 2 und 3 ist ein erstes Kettenrad 8 an einem Unterarm 6 derart befestigt, daß die Kettenradmitte mit der Drehmitte eines Ellbogengelenks 5 zusammenfällt, und ein zweites Kettenrad 9 mit gleichem Durchmesser und gleicher Teilung wie das erste Kettenrad 8 ist drehbar am Oberarm so angebracht, daß die Mitte des zweiten Ketten-

rades koaxial mit der Drehmitte des 'Schultergelenks 3 ist. Diese Kettenräder 8, 9 sind mittels einer Ubertragungs- ' Vorrichtung 10, wie einer Kette, eines Steuergurtes (Zahnriemen) ο. dgl. so verbunden, daß sie damit kämmen. Das zweite Kettenrad 9 rotiert also unbeachtlich einer Winkeländerung des Oberarms 4 bezüglich der Bodenoberfläche,

wird aber vermöge der übertragungsvorrichtung 10 mit exakt der gleichen Winkeländerung gedreht, wie sie der Unterarm bezüglich der Bodenebene ausführt.

Ein Verbindungsstift 11 ist an einem Teil des Hauptkörpers '2 befestigt,und ein gesonderter Verbindungsstift ist am zweiten Kettenrad 9 selbst oder an einem damit verbundenen Teil gemäß Fig. 2 so befestigt , daß bei horizontal zur Bodenebene stehendem Unterarm 6, d. h. bei einem Relativwinkel von 0°, der Verbindungsstift 13 auf einer die Drehmitte des Kettenrades 9 und den Verbindungsstift verbindenden Geraden liegt, welche senkrecht zu einer den Verbindungsstift 11 und die Drehmitte des .Schultergelenks verbindenden Geraden 12 steht.Zwisehen · den Verbindungsstiften 11,13 ist eine Feder 14 als Drehmomenterzeuger angeordnet, welche eine Federwirkung ausübt, um im wesentlichen das durch die Schwerkraft auf den Unterarm 6 bei dieser Stellung ausgeübte Primärmoment zu eliminieren.

Wenn der Unterarm 6 eine Stellung relativ zur Bodenebene mit einem senkrechten Winkel nach oben oder unten einnimmt, wird das zweite Kettenrad 9 um 90° im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn aus dem Zustand gemäß Fig. 2 gedreht, um den Verbindungsstift 13 auf die Gerade 12 zu bringen. Demgemäß übt die Zugkraft der Feder 14 in diesem Fall kein Drehmoment auf das zweite Kettenrad 9 aus. Wenn • nämlich der Unterarm 6 eine zur Bodenebene senkrecht nach oben geneigte Stellung gemäß Fig. 3 einnimmt, wird kein Drehmoment auf das zweite Kettenrad 9 durch Zugkraft der Feder 14 ausgeübt.

Unter der Annahme, daß der relative Stellungswinkel gemäß Fig. 2 Null ist und daß die Feder 14 stets auf den Verbindungsstift 13 mit konstanter Kraft parallel zur Geraden 12 einwirkt, variiert das auf das zweite Kettenrad

durch die Feder 14 aufgebrachte Drehmoment nach einer Kosinus-Funktion. Andererseits variiert auch das durch die Schwerkraft auf das zweite Kettenrad 9 vom Unterarm 6 ausgeübte Primärmoment nach einer Kosinus-Funktion. Demgemäß kann bei derart idealisierten Bedingungen das durch die Schwerkraft auf das Ellbogengelenk 5 ausgeübte Primärmoment vollständig kompensiert werden.

Da in der Praxis die Feder 14 eine begrenzte Länge hat, ist die Zugkraft nicht konstant, und der Verbindungsstift 13 kann nicht so angeordnet werden, daß die Feder parallel zur Geraden 12 zieht, so daß die oben beschriebenen Idealbedingungen nicht erreicht werden können. Jedoch kann mit dem oben beschriebenen Mehrgelenk-Manipulator gemäß der Erfindung das Primärmoment auf ein Maß reduziert werden, das in der Praxis keine Probleme bereitet.

Bei der beschriebenen Ausführung wird eine Feder verwendet. Es ist jedoch auch möglich, eine pneumatische (oder hydraulische) Zylindervorrichtung mit konstantem Druck zu verwenden, um die gleiche Wirkung zu erzielen.

Bei der beschriebenen Ausführung eines Mehrgelenk-Manipulators wird das durch die Schwerkraft hervorgerufene Primärmoment.am Ellbogengelenk vermindert, so daß auch wesentlich die Belastung eines Elektromotors zum Antrieb des Ellbogengelenkes vermindert wird.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung.

Die gleichen Bezugszahlen wie Fig. 2 bezeichnen gleiche oder entsprechende Teile. Auch in diesem Fall wird auf eine Beschreibung eines Mittels zum Eliminieren des Primärmoments des Oberarms 4 verzichtet.

In Fig. 4 bezeichnet die Bezugszahl 15 die Welle eines Motors, der am Oberarm 4 zum Drehen des Unterarms 6 um das Ellbogengelenk 5 als Drehmitte montiert ist. Auf der Welle 15 ist ein Kettenrad 16 zwischen den Kettenrändern 8, 9 befestigt. Diese Kettenräder 8, 9 sind mittels einer übertragungsvorrichtung,wie einer Kette, eines Steuergurtes o. dgl. mit dem Kettenrad 16 so gekoppelt, daß eine Drehung der Welle 15 über das Kettenrad 16 und das erste Kettenrad 8 den Unterarm 6 verschwenkt. Die Drehung des zweiten Kettenrades 9 geschieht jedoch relativ zu einer Schwenkung des Oberarms 4. Dap zweite Kettenrad 9 ist nämlich so angeordnet, daß es unabhängig von der Winkelstellung des Oberarms 4 bezüglich der Bodenebene dank der übertragungsvorrichtung 10 mit einer genau der Winkeländerung des Unterarms 6 zur Bodenebene entsprechenden Winkeländerung dreht.

Bei dieser Ausführung sind ähnlich wie in Fig. 2 ein Verbindungsstift 11 an einem Teil des Hauptkörpers 2 und ein gesonderter Verbindungsstift 13 am zweiten Kettenrad 9 selbst oder an einem damit verbundenen Teil so angebracht, daß gemäß Fig. 4 bei Horizontalstellung des Unterarms 6 bezüglich der Bodenebene, d. h. bei einem Relativwinkel von 0°, der Verbindungsstift 13 auf.einer durch die Drehmitte des Kettenrads 9 und durch den Stift 13 verlaufenden Geraden liegt, welche senkrecht zu einer den Verbindungsstift 11 mit der Drehmitte des Schultergelenks 3 verbindenden Geraden 12.steht;Zwischen den Verbindungsstiften 11, 13 ist eine Feder 14 aufgespannt, welche eine Federwirkung zu dem Zweck ausübt, im wesentlichen das durch die Schwerkraft des Unterarms 6 bei dieser Stellung ausgeübte Primärmoment zu eliminieren.

Wenn der Unterarm 6 eine Stellung mit einem Relativwinkel 5 senkrecht zur Bodenebene nach oben oder nach unten ein-

nimmt, ist das Kettenrad 9 im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn um 90° aus dem in Fig. 4 gezeigten Zustand verdreht, so daß der Verbindungsstift 13 auf die Gerade 12 gebracht ist. Demgemäß übt die Zugkraft der Feder 14 kein Drehmoment auf das zweite Kettenrad 9 aus.

Unter der Annahme, daß ein relativer Stellungswinkel gemäß Fig. 4 Null ist und die Feder 14 am Verbindungsstift mit einer konstanten Kraft stets parallel zur Geraden 12 zieht, variiert das von der Feder auf das zweite Kettenrad 9 ausgeübte Drehmoment nach einer-Kosinus-Funktion. Andererseits variiert auch das durch die Schwerkraft auf das zweite Kettenrad 9 vom Unterarm 6 ausgeübte Primärmo^ ment nach einer Kosinus-Funktion. Demgemäß kann unter derart idealisierten Bedingungen das durch die Schwerkraft auf das Ellbogengelenk 5 ausgeübte Primärmoment vollständig •kompensiert werden.

Da in der Praxis die Feder eine begrenzte Länge hat, die' Zugkraft nicht konstant ist und der Verbindungsstift 13 nicht so angeordnet werden kann, daß die Feder genau parallel zur Geraden 12 zieht, können die idealisierten Bedingungen nicht erreicht werden. Jedoch kann der Mehrgelenk-Manipulator gemäß der Erfindung das Primärmoment auf einen Wert vermindern, der bei der praktischen Anwendung keine Probleme bereitete

Bei dieser Ausführung wird das Antriebsmoment des Motors zum Drehen des Unterarms 6 dazu ausgenutzt, das Primärmoment des Unterarms 6mit der Folge zu verringern, daß es unnötig ist, spezielle Vorrichtungen wie eine besondere Antriebsquelle und Ubertragungsvorrichtungen bzw. Getriebe einzusetzen.

5 Gemäß der Beschreibung wird eine Feder verwendet. Es ist

jedoch auch möglich, eine pneumatische Zylindervorrichtung mit konstantem Luftdruck zu verwenden, um dieselbe Wirkung wie bei der oben beschriebenen Ausführung zu erzielen.

Bei der zuletzt beschriebenen Ausführung können das durch
die Schwerkraft auf das Ellbogengelenk ausgeübte Primärmoment und die Belastung eines Elektromotors zum Antreiben des Ellbogengelenkes wesentlich durch die beschriebene einfache Konstruktion vermindert werden, dergemäß die Antriebskraft des ifotors zur Verdrehung des Unterarmes eingesetzt wird.

Leersei te

Claims

Ansprüche

1) Mehrgelenk-Manipulator gekennze ichnet durch

einen Oberarm (4) , dessen eines Ende schwenkbar von einem Schultergelenk (3) eines Hauptkörpers (2) so unterstützt ist, daß der Oberarm um das Schultergelenk drehen kann;

einen Unterarm (6), dessen eines Ende von einem Ellbogengelenk (5) am anderen Ende des Oberarms (4) so unterstützt ist, daß der Unterarm um das Ellbogengelenk

10 drehen kann;

eine am freien Ende des Unterarms (6) angeordnete Arbeitsvorrichtung (7) ;

ein am Unterarm (6) angebrachtes erstes Kettenrad (8), dessen Mitte koaxial mit der Drehmitte des Ellbogen-

15 gelenks (5) ist;

ein zweites, drehbar am Schultergelenk (3) angeordnetes

Kettenrad (9), dessen Mitte koaxial mit der Drehmitte des Schultergelenks ist;

eine übertragungsvorrichtung (10) zum Koppeln der beiden Kettenräder (8,9) derart, daß diese um denselben Drehwinkel verdreht werden und

einen Drehmomenterzeuger (14)/ dessen eines Ende (bei 11) am Hauptkörper (2) und dessen anderes Ende (bei 13) am zweiten Kettenrad (9) befestigt sind, um ein maximales Drehmoment dann auszuüben, wenn der Unterarm (6) horizontal steht, und ein minimales Drehnoment auszuüben, wenn der Unterarm vertikal steht.

2. Mehrgelenk-Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das andere Ende des Dreh- momenterzeugers (14) am Umfangsbereich des zweiten Kettenrades (9) befestigt ist.

3. Mehrgelenk-Manipulator nach Anspruch 2, dadurch g e kennzei chnet, daß bei Horizontalstellung des Unterarms (6) das andere Ende des Drehmomenterzeuges (14) auf einer Senkrechten zu einer die Drehmitte des Schultergelenks' (3) und das eine Ende (11) des Drehmomenterzeuges verbindenden Geraden (12) liegt.

4. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomenterzeuger (14) von einer Feder gebildet ist.

5. Mehrgelenk-Manipulator nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeichnet, daß beide Enden der Feder (14) mittels Verbindungsstiften (11,13) am Hauptkörper (2) bzw. am zweiten Kettenrad (9) gehalten sind.

6. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Drehmomenterzeuger (14) von einer Druckmittel-Zylindervorrichtung zum Erzeugen eines konstanten Druckes ge bildet ist.

7. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsvorrichtung (10) von einer Kette gebildet ist.

8. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichne t, daß die übertragungsvorrichtung (10) von einem Steuergurt (Zahnriemen) gebildet ist.

9. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekenn ze i c h η e t, daß die Arbeitsvorrichtung (7) von einem drehbaren Greifer gebildet ist.

10. Mehrgelenk-Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor am Oberarm (4) zum Drehen des Unterarms (6) um das Ellbogengelenk (8) als Drehmitte vorgesehen ist, daß ein Kettenrad (16) auf der Motorwelle (15) des Motors angeordnet ist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Kettenrad (8,9) liegt, und daß die übertragungsvorrichtung das erste und das zweite Kettenrad(8,9) mit dem weiteren Kettenrad (16) zur Drehung des ersten und des zweiten Kettenrades um den gleichen Winkel koppelt.

11. Mehrgelenk-Manipulator nach eAnspruch 10, dadurch g e kenn ze ichnet, daß das weitere Kettenrad (16) in der Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Kettenrad (8,9) angeordnet ist.