DE3332040A1

DE3332040A1 - Gelenkarmmechanismus

Info

Publication number: DE3332040A1
Application number: DE19833332040
Authority: DE
Inventors: Brett Munn Costa Mesa Calif. Austin
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1982-09-07
Filing date: 1983-09-06
Publication date: 1984-03-08
Also published as: GB2126559A; JPS5964287A; NZ205375A; GB8321763D0; AU1865283A

Description

B.M.Austin-1

GeLenkarmmechanismus

Die Erfindung geht aus von einem GeLenkarmmechanismus gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Es sind schon eine ganze Reihe von GeLenkarmmechanismen bekannt, die ferngesteuert verschiedene Fertigungsfunktionen ausführen, Material, transportieren oder ähnliche Aufgaben erfüllen. Es ist auch versucht worden, den Bewegungsmechanismus des menschlichen Körpers, insbesondere der Schulter- und Armgelenke nachzubilden. Bei diesen bekannten Ausführungen erfolgt die Betätigung der einzelnen Gelenkarmmechanismen auf mechanischem Wege von einem Gelenkarmteil aus durch den Mechanismus der anderen Gelenkarmteile hindurch, z. B. über Kegelradgetriebe, Schneckenradgetriebe, Gestänge, Bowdenzüge oder dergleichen, Diese Art der mechanischen Steuerung ermöglicht nur eine begrenzte Beweglichkeit und ist schwerfällig und relativ teuer.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Gelenkarmmechanismus der genannten Art zu schaffen, der eine größere Beweglichkeit ermöglicht, relativ einfach i m Aufbau ist und preiswert hergestellt werden kann.

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01.09.1983

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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes auf.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß jeder Gelenkarmteil einen eigenständigen Antrieb hat und damit jeweils eine selbständige Funktionseinheit darstellt. Dieses ermöglicht eine dem jeweiligen Anwendungszweck entsprechende Anzahl von Gelenkarmteilen zu einem funktionsgerechten Gelenkarmmechanismus zusammenzustellen.

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines ersten Gelenkarmmechanismus gemäß der Erfindung mit vier

Gelenkarmteilen.

Fig. 2 den Gelenkarmmechanismus gemäß Fig. 1 in einer Arbeitsposition.

Fig. 3 eine zweite Ausführung eines Gelenkarmmechanismus gemäß der Erfindung mit drei Gelenkarmteilen

in Seitenansicht mit einheitlichen Antriebsmechanismen zwischen den Gelenkarmteilen.

Fig. 4 den Gelenkarmmechanismus gemäß Fig. 3 im Schnitt 4-4 durch einen Antriebsmechanismus in vergrößerterDarstel lung

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Fig. 5 den Gelenkarmmechanismus gemäß Fig. 3 im Schnitt 5-5. Er zeigt in vergrößerter Darstellung die Befestigung des einen Antriebszahnrades.

Fig. 5a den unteren Antriebsmechanismus mit Sockel gemaß Fig. 3 in vergrößerter Darstellung.

Fig. 6 den Gelenkarmmechanismus gemäß Fig. 3 im Schnitt 6-6 in vergrößerter Darstellung.

Fig. 7 den Antriebsmechanismus gemäß Fig. 5a im Schnitt und 8 7-7 in den durch Anschlag begrenzten Drehstellungen,

Die Fig. 1 und 2 zeigen in schematiseher Darstellung eine erste Ausführung eines Gelenkarmmechanismus 10. Dieser besteht aus einem Sockel 12 und einer Anzahl von in Reihe angeordneten und miteinander verbundenen Gelenkarmteilen 14, 16, 18 und 20. Der Sockel 12 ist auf einer Standfläche 22 befestigt, während ein Arbeitsgegenstand 24, wie z, B. ein Schraubendreher, Spannbacken, ein Schweißwerkzeug, ein Greifer oder dergleichen am obersten Gelenkarmteil 20 befesti gt ist.

Jeder der Gelenkarmteile 14, 16, 18 bzw. 20 hat einen eigenen Antriebsmechanismus 26. Diese sind untereinander gleich ausgebildet. Die Gelenkarmteile 14, 16, 18 und 20 sind über ihre Antriebsmechanismen 26 getrennt voneinander um ihre jeweilige Längsachse 28 und eine Querachse 30 schwenkbar. Die beiden Achsen 28 und 30 stehen senkrecht zueinander. Jeder Antriebsmechanismus hat zwei Motoren die entweder durch elektrische Energie oder hydraulisch fern-

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gesteuert werden. Die Motoren sind so angeordnet, daß die WeLLe des einen Motors koaxiaL auf die Längsachse 28 ausgerichtet ist, während die WeLLe des anderen Motors koaxiaL auf die Querachse 30 ausgerichtet ist, wie in Verbindung mit den Zeichnungen Fig. 3 bis 8 nachfoLgend noch näher er Läutert wird.

Der dem untersten GeLenkarmteiL 14 zugehörige Antriebsmechanismus 26 ist fest mit dem SockeL 12 verbunden. Der zum nächstfoLgenden GeLenkarmteiL ^₀ gehörende Antriebsmechanismus 26 ist seinerseits über ein KoppeLgLied 32 starr mit dem äußeren Ende des untersten.GeLenkarmteiLs verbunden. In gLeicher Weise sind die Antriebsmechanismen der übrigen GeLenkarmteiLe 18 und 20 mit dem jeweiLs vorhergehenden GeLenkarmteiL 16 bzw. 18 verbunden. Jedes Ge-LenkarmteiL 14, 16, 18 und 20 hat somit einen eigenständigen Antrieb, der z. B. über fLexibLe KabeL oder SchLäuche eLektrisch bzw. hydrauLisch betätigbar ist. Die KabeL bzw. SchLäuche können so geführt werden, daß sie die Bewegungsfreiheit der GeLenkarmteiLe 14, 16, 18 und 20 nicht behindern. Der GeLenkarmmechanismus ist daher sehr fLexibeL, wie Fig. 2 zeigt, bei der der SockeL 12 auf einer pLattenförmigen StandfLäche 22 befestigt ist, während der gesamte GeLenkarmmechanismus 10 so eingestelLt ist, daß der am Ende des vordersten GeLenkarmteiLs 20 befestigte Arbeitsgegenstand 24 in der Lage ist, ein an der Unterseite der StandfLäche 22 befestigtes Werkstück 34 zu bearbeiten. In Verbindung damit sei besonders erwähnt, daß je nach AnwendungsfaLL die AnzahL der GeLenkarmteiLe vergrößert oder verringert werden kann, ohne daß die Funktion der übrigen GeLenkarmteiLe beeinfLußt wird. Die Modifikation des GeLenkarmmechanismus kann somit Leicht an den jeweiLigen

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Anwendungsfall angepaßt werden.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die Fig. bis 8, die eine zweite konstruktive Ausführung eines Gelenkarmmechanismus 40 in detaillierter Form zeigen. Diese Ausführung besteht aus drei Gelenkarmteilen, im Gegensatz zum Gelenkarmmechanismus 10 der Fig. 1 und 2, der vier Gelenkarmteile umfaßt. Wie Fig. 3 zeigt, ist auch hier ein Sockel 42 vorgesehen, der auf einer Standfläche 44 befestigt ist. Mit dem Sockel 42 ist ein Antriebsmechanismus, weiterhin als Schultergelenk 46 bezeichnet, fest verbunden, der einen sogenannten Oberarmbügel 48 hat, die zusammen das erste Gelenkarmteil bilden. Das folgende Gelenkarmteil hat einen als Ellenbogengelenk 50 bezeichneten Antriebsmechanismus, dem ein sogenannter Unterarmbügel 52 zugeordnet ist, während das dritte Gelenkarmteil einen als Handgelenk 54 bezeichneten Antriebsmechanismus hat, der einen Trägerarm 56 hat. Die drei Antriebsmechanismen 46, 50 und 54 können entsprechend den Antriebsmechanismen 26 gemäß Fig. 1 und 2 identisch sein.

Der Sockel 42 hat einen Schaft 60, der mit einer zylindrischen Bohrung 62 zur Aufnahme einer zum Schultergelenk 46 gehörenden Hohlachse 64 versehen ist. Diese ist durch eine nicht dargestellte Stellschraube oder dergleichen gegen Drehung gesichert. Eine entsprechende Hohlachse 64 ist zwischen dem oberen Ende des Oberarmbügels 48 bzw. dem des Unterarmbügels 52 und dem EL lenbogengelenk 50 bzw. dem Handgelenk 54 als starre Verbindung vorgesehen. Durch die Hohlachse 64 werden von unten Anschlußkabel 66 für den jeweiligen Antriebsmechanismus zugeführt. Bei der im SockeL 42 steckenden Hohlachse 64 wird das nicht dargestellte Kabel 66 von unten durch den Sockel 42 zugeführt. Die An-

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schLußkabeL können zur Steuerung von Elektromotoren elektrische Leiter sein oder es sind flexible Hochdruckschläuche, wenn ein z. B. hydraulischer Antrieb vorgesehen ist.

Jeder Antriebsmechanismus hat einen rechteckigen Trägerrahmen 67, der eine obere und eine untere Rahmenplatte 68 und 70 (Fig. 6) hat, die über Kunststofflager 72 und 74 drehbar auf der Hohlachse 64 gelagert sind, so daß der Trägerrahmen 67 um eine vertikale Achse drehbar ist. Zwischen den Rahmenplatten 68 und 70 ist eine Nabe 76 (Fig. 4), durch eine Stellschraube 78 gesichert, fest auf der Hohlachse 64 befestigt. Auf die Nabe 76 ist ein Zahnrad 80 aufgeschrumpft.

Gemäß Fig. 6 sind auf dem Trägerrahmen 67 zwei umsteuerbare Gleichstrommotoren 82 und 84 mit Untersetzungsgetrieben 86 bzw. 88 angeordnet. Die Welle 92 des Untersetzungsgetriebes 86 ist mit einem Ritzel 90 (Fig. 6) versehen, während die Welle 94 des Untersetzungsgetriebes 88 ein Ritzel 96 trägt. Die Enden der beiden Wellen 92 und 94 sind in Lagerbügeln 98 bzw. 100 geführt, die ihrerseits am Trägerrahmen 67 befestigt sind. Der Motor 82 und das zugehörige Getriebe 86 sind so angeordnet, daß die Welle 92 vertikal steht und mit ihrem Ritzel 90 in die Zahnung des feststehenden Zahnrades 80 eingreift, wie die Fig. 7 und 8 erkennen lassen.

Wie die Fig. 3 und 5a erkennen lassen, sind an den seitlichen Rahmenplatten 106 und 108 des Tragrahmens 67 Achsstummel 102 und 104 befestigt, die die horizontale Achse bilden, um die der jeweilige Bügel 48, 52 bzw. der Trägerarm 56 schwenkbar ist.

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Gemäß Fig. 5 ist auf dem Achsstumme I 104 über eine Lagerhülse 109 das eine BügeLende 114 drehbar gelagert. Mit dem Bügelende 114 ist eine gleichfalls durch die Lagerhülse 109 geführte Nabe 110 fest verbunden. Auf dieser ist ein Zahnrad 112 befestigt.

In gleicher Weise ist das andere Bügelende 116 auf dem Achsstummel 102 drehbar gelagert.

Der andere Motor 84 und das zugehörige Untersetzungsgetriebe 88 sind so angeordnet, daß die Welle 94 horizontal ausgerichtet ist und gemäß Fig. 3 über ihr Ritzel 96 in Eingriff mit dem Zahnrad 112 steht. Wird nun der Motor des Schultergelenks 46 angesteuert, so dreht das Ritzel das Zahnrad 112, so daß der Oberarmbügel 48 um seine durch die Achsstummel 102 und 104 gebildete Achse geschwenkt wird. Bei einer Ansteuerung des Motors 82 wird das Ritzel 90 in Drehung versetzt, was zur Folge hat, daß sich der Trägerrahmen 67 und damit der Oberarmbügel 48 um die vertikale Achse dreht. Das Schultergelenk 46 ermöglicht somit sowohl eine vertikale als auch eine horizontale Einstellung des Oberarmbügels 48.

Die Drehung des Trägerrahmens 67 auf der Hohlachse 64 wird begrenzt durch eine Anschlagvorrichtung, zu der ein an die Nabe 76 angeformter Ringflansch 120 gehört (Fig. 4). Zur Anschlagvorrichtung gehört noch ein oberhalb des Ringflansches 120 auf der Hohlachse 64 drehbar gelagerter Schwenkhebel 124. Gemäß Fig. 7 hat dieser Hebel einen Anschlagarm 128 vorbestimmter Breite, die durch die Längskanten 130 und 132 bestimmt ist. Der Ringflansch 120 ist

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mit einem AnschLagstift 134 versehen, der in den Schwenkbereich des AnschLagarms 128 ragt. Der Anschlagarm 128 ist so Lang, daß er gemäß Fig. 7 und 8 in der EndLage an der einen oder anderen StirnfLäche 136 bzw. 138 der zeit-Liehen RahmenpLatten 106 bzw. 108 des Trägerrahmens 67 anliegt. Dreht sich nunmehr der Trägerrahmen 67 auf der Hohlachse 64, so geLangt er früher oder später mit einer seiner Stirnflächen 136 oder 138 in AnLage an den AnschLagarm und nimmt im Verlauf der weiteren Drehung den Schwenkhebel 124 in die gleiche Richtung mit. Die eine weitere Drehung im Uhrzeigersinn verhindernde AnschLaglage ist erreicht, wenn der in Fig. 7 gezeigte Zustand erreicht ist. In diesem FaLL Liegt der Trägerrahmen 67 mit der StirnfLäche 136 an der Längskante 130 des Anschlagarms 128 an, während dieser mit seiner anderen Längskante 132 am Anschlagstift 134 anliegt. Wird der Trägerrahmen aus dieser Stellung im Gegenuhrzeigersinn gedreht, so endet die Drehbewegung erst, wenn der Trägerrahmen 67 gemäß Fig. 8 mit seiner Stirnfläche 138 an der Längskante 132 des Anschlagarms 128 an-Liegt und dieser - vom Trägerrahmen mitgenommen - mit seiner anderen Längskante 132 gegen den Anschlagstift 134 stößt.

Die vorbeschriebene Anordnung erlaubt eine Drehung des Trägerrahmens 67 in Abhängigkeit von der Breite des An-

schlagarms 128 von ungefähr 380°. Die Begrenzung der Drehung um die Vertikale auf ca. 380 verhindert ein Verwinden des durch die Hohlachse 64 zugeführten Kabels 66 bei einem maximalen DrehwinkeL, der allen Anforderungen an die Beweg Lichkeit des Gelenkarmmechanismus gerecht wird, so daß auf KoI Lektorringe und -bürsten verzichtet werden kann.

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Es sei nochmals erwähnt, daß die Hohlachse 64 das obere Ende des Oberarmbügels 48 mit dem Ellenbogengelenk 50 fest verbindet, so daß diese sich nicht gegeneinander verdrehen können. Lediglich das Kabel 66 zur Steuerung der beiden Motoren im Ellenbogengelenk 50 gelangt vom Oberarmbügel 48 durch die Hohlachse 64 zum Unterarmbügel 52. Somit wird keiner der Antriebsmechanismen direkt durch einen anderen mechanisch beeinflußt. Die gleichen Gegebenheiten bestehen zwischen dem Unterarmbügel 52 und dem Handgelenk 10. 54 mit Trägerarm 56. An diesem ist durch Befestigungsmittel 142 ein Arbeitsgerät, wie z. B. ein Werkzeug oder Behälter angebracht. Das in Fig. 3 gezeigte Arbeitsgerät ist ein Becher 58.

Ein in Fig. 3 dargestellter Gelenkarmmechanismus wurde auf der einen Seite eines Tisches montiert, auf dem ein Wasserbehälter stand. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Hotore der einzelnen Antriebsmechanismen durch eine Rechnungsperson wurde der Becher 58 in das Wasser im Behälter eingetaucht. Danach wurde der Becher wieder angehoben und in eine Position unterhalb des Tisches gebracht, wo der Becher durch Umdrehen seinen Inhalt in einen dort befindlichen Behälter entleerte. Dieses hat gezeigt, daß der vorbeschriebene Ge lenkarmmechani smus in der Lage ist, vielfältige Bewegungen komplexer Natur trotz einer relativ einfachen und kostengünstiger Anordnung auszuführen.

Wenn es erforderlich ist, kann die Stromzufuhr zum Handgelenk 54 über Kollektorringe und-bürsten erfolgen, um eine unbegrenzte Drehbarkeit des Handgelenks 54 um die Hohlachse 64 zu ermöglichen, wodurch eine wesentlich größere

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EinsatzmögLichkeit des GeLenkarmmechanismus gegeben ist. Weiterhin können ein oder mehrere GeLenkarmteiLe teLeskopartig ausgebiLdet sein,, um die Ge Lenkarmtei Le bei Bedarf verLängern oder verkürzen zu können. Die TeLeskopver-Schiebung kann durch einen in den GeLenkarmteiL einbezogenen HydrauLikzyLinder gesteuert werden oder durch einen dritten Motor im Antriebsmechanismus und einen geeigneten SpindeLantrieb.

Die Motoren der Antriebsmechanismen 46, 50 und 54 können durch eine Steuerschaltung betrieben werden, die gleich der in der US-PS 3,835,270 beschriebenen ist. Es kann auch eine KnüppeL steuerung vorgesehen werden, wie sie in der US-PS 3,835,270 offenbart ist. Es würde andererseits von Vortei L sein, eine e Lekt rom" sehe Steuerung vorzusehen, die in der Lage ist, sämtLiche Motoren des GeLenkarmmechanismus gleichzeitig zu regeLn, so daß nur ein einziger Steuerknüppel von der Bedienungsperson zu betätigen ist.

4 BLatt Zeichnungen

Leerseite

Claims

-Jf- Deutsche ITT Industries GmbH Freiburg B.M.Austin-1 Patentansprüche

1. Gelenkarmmechani sinus, bestehend aus einer Anzahl in Reihe miteinander verbundener GelenkarmteiLe, die durch fernbetätigbare Mittel einzeln bewegbar sind, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß jeder Gelenkarmteil aus einem eigenständigen Antriebsmechanismus (46, 50, 54) und einem durch diesen einstellbaren Gelenkbügel (48, 52, 56) besteht.

2. Gelenkarmmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkbügel (48, 52, 56) um eine Längsachse (28) und eine Querachse (30) einstellbar sind.

3. Gelenkarmmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkbügel (48, 52) mit dem Antriebsmechanismus (50, 54) des jeweils folgenden Gelenkarmteils starr verbunden sind.

4. Gelenkarmmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmechanismen (46, 50, 54) jeweils zwei Elektromotore (82, 84) haben, deren Antriebswellen senkrecht zueinander stehen.

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5. GeLenkarmmechanismus, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmechanismen (46, 50, 54) untereinander gleich sind, daß sie einen auf einer feststehenden Hohlachse (64) drehbar g e lagerten Trägerrahmen (67) haben, an dem die Motoren (82, 84) befestigt sind, daß auf der Hohlachse (64) ein Zahnrad (80) fest angeordnet ist, in das ein Ritzel (90) auf der Welle des Motors (82) eingreift, daß der Trägerrahmen (67) horizontale Achsstummel (102, 104) hat, auf denen der Gelenkbügel (48, 52, 56) schwenkbar gelagert ist, daß ein Zahnrad (112) auf dem einen Achsstummel (104) gelagert ist, das fest mit dem Gelenkbügel (48, 52, 56) verbunden ist, und daß ein Ritzel (96) auf der Welle des Motors (84) in das Zahnrad (112) eingreift.

6. Gelenkarmmechanismus nach Anspruch 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkbügel (56) des letzten Gelenkarmteils als Träger für ein Arbeitsgerät ausgebildet ist.

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