DE3346825A1

DE3346825A1 - Automatenarm mit aufgeteilter handgelenksbewegung

Info

Publication number: DE3346825A1
Application number: DE19833346825
Authority: DE
Inventors: Allen J. Corvallis Oreg. Wright
Original assignee: INTELLEDEX Inc
Current assignee: INTELLEDEX Inc
Priority date: 1983-01-06
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1984-07-12
Also published as: IT1206120B; GB8400018D0; JPS59134688A; IT8419003A0; GB2132981B; GB2132981A

Description

Automatenarm mit aufgeteilter Handgelenksbewegung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Automaten und insbesondere eine Möglichkeit, wie man einem Automaten Handgelenkbewegung erteilt.
:

Eine Gruppe von Automaten oder Robotern simulieren den menschlichen Arm von der Schulter zum Handgelenk- Die Handgelenksbewegung von dem Menschen nachgebildeten Automaten simuliert die Bewegung des menschlichen Handgelenks

*° bezüglich der Anzahl der Freiheitsgrade als auch bezüglich des Bewegungsbereichs. Fig. 1 zeigt einen derartigen bekannten Automatenarm 11 mit einem Schultergelenk 13, einem Ellenbogengelenk 15 und einem Handgelenk 17- Das Handgelenk trägt einen Werkzeughalter 19, der auch als Betätigungsorgan bekannt ist. Die Handgelenksverbindung 17 ermöglicht drei Freiheitsgrade. Der eine Freiheitsgrad ist eine Neigungsbewegung, nämlich eine Drehung um eine erste durch die Pfeile X angezeigte Achse. Der zweite Freiheitsgrad ist eine Roll- oder Drehbewegung um eine durch die Pfeile Y angezeigte Y-Achse senkrecht zur X-Achse. Ein dritter Freiheitsgrad um eine dritte Achse senkrecht zu der X- und Y-Achse ist als Gierung (yaw) oder Seitenbewegung bekannt und durch die Pfeile Z angezeigt. Das Ellenbogengelenk ist mit einer Rotationsbewegung um eine Achse versehen, die parallel zu der ersten Achse des Handgelenks verlaufen kann. Diese Rotation ist durch die Pfeile T angezeigt. Eine Drehung der Schulter kann um eine andere durch die Pfeile S angegebene parallele Achse erfolgen, während der gesamte Arm eine Drehbewegung gemäß den Pfeilen R um eine Abstützung ausführen kann.

Die Positionierung eines Automatenarms sojlte so genau wie möglich erfolgen. Dies wird gewöhnlich durch Servosysteme erreicht, die die Position des Handgelenks abfühlen und

_ die entsprechenden Korrekturen vornehmen.■'Auch mit solchen ο

Korrekturen ist es schwierig, einen Automätenarm oder ein dazugehöriges Betätigungsorgan zu positionieren, wenn dieses schwingt. Eine Schwingung kann korrigiert werden durch eine erhöhte Steifheit oder Starrheit des^ Armes. Hierdurch wird jedoch die Masse erhöht und es ist eine höhere Kraft erforderlich, um eine gegebene Armbeschleunigung zu erreichen. -

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde _T" einen Automatenarm mit Handgelenk weniger massiv als bekannte Handgelenke 15

in den Menschen nachgebildeten Automatenafrmen auszugestalten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Auto-

matenarm mit einer vereinfachten Handgelenksverbindung, wo 20

bei ein Teil der Handgelenksbewegung zur'Automatenschulter

verlagert wird. Da gewöhnlich Motoren und Getriebe die Bewegungsenergie für die Bewegung um eine Achse liefern, bedeutet ein Verlagern einer Rotationsachse von dem Automatenhandgelenk zur Automatenschulter eine: Vereinfachung in 25

der Handgelenksbewegung, wobei ein Motor*am Ende des Automatenarms eingespart wird. Diese Verringerung in der Handgelenksmasse bedeutet, daß für eine gegebene Beschleunigung des Handgelenks geringere Kräfte erforderlich sind.

Neben der auf das Motorgewicht zurückgehenden Massenein-30

sparung ergibt sich eine zusätzliche Masseneinsparung dahingehend, daß der Arm, der erforderlich¹, ist, um für eine genaue Bewegung des Handgelenks die notwendige Steifheit zu gewährleisten, weniger massiv sein kann.

Der erfindungsgemäße Automatenarm wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnähme auf die Zeich-

BAD ORIGINAL

* it

-st- t

nung beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines bekannten,

dem Menschen nachgebildeten Armes,

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines erfindungs , gemäßen Automatenarms,

Fig. 3 bis 5 die verschiedenen Verbindungspunkte und

Bewegungsachsen des Automatenarms nach . Fig. 2, und

Fig. 6 eine Perspektivansicht einer Einzelheit

des erfindungsgemäßen Automatenhandgelenks.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Automatenarms und -handgelenks. Der Automatenarm besitzt eine Abstützung 21, an der die Automatenschulter angebracht ist. Die Abstützung 21 kann, falls gewünscht an einem Stander 20 angebracht sein. Der Arm könnte aber auch an einer Wand oder dergleichen befestigt werden. Die Verwendung eines Standes erlaubt die Einführung einer zweiten Armschwenkachse der in Fig. 1 gezeigten Art für eine raschere

Armbewegung. Die Schulter ist eine Anordnung von Verbin-25

düngen, die durch mehrere Glieder definiert werden. Eine

Platte 23 trägt auf ihrer Oberseite einen Motor 25 und innerhalb bzw. unterhalb der Platte ein Getriebe und eine Welle, die eine der drei Schulterachsen definieren. An dieser Achse ist drehbar ein erster Bügel 27 angebracht, der 30

ebenfalls einen Motor und ein Getriebe umfaßt. Am vorderen Ende definiert der Bügel 27 eine vertikale Armschwenkachse, an der drehbar ein zweiter Bügel 29 angesetzt ist.

Der zweite Bügel 29 definiert eine weitere Achse, die als 35

Schwenkachse (swivel axis) bekannt ist, im unteren Teil des Bügels. Durch diese Achse erstreckt sich <*ine Welle 31, an

BAD ORIGINAL

der ein Oberarmabschnitt 33 angebracht ist. Der Oberarmabschnitt, der als Ruhestellungsabschnitt (home) bekannt ist, ist vorzugsweise ein einstückiges Teil. Es kann jedoch ein zusammengesetzter Oberarm mit zwei oder mehr an Wellenverbindungspunkten verbundenen Abschnitten verwendet werden. Der Oberarmabschnitt 33 besitzt ein Ellenbogengelenk, durch das eine Armverlängerungsachse definiert wird. Eine Welle 35 ist längs dieser Achse angeordnet und verbindet den Unterarmabschnitt 37 mit dem Oberarmabschnitt. Der Unterarmabschnitt besitzt wiederum eine Handgelenksverbindung an seinem unteren Ende, durch die eine Neigungsachse definiert wird. Auf einer zur Neigungsachse parallelen Achse ist eine Welle 39 mit einem Wellenwinkelcodierer 40 angeordnet, der zur Abstützung eines Werkzeugshalters oder eines Betätigungsorgans 43 axial dazu verläuft. Ein Motor 45 ist am Ellenbogen angebracht und definiert eine eine Spinnachse, über die Kraft auf ein Werkzeug übertragen wird, das am vorderen Ende angebracht ist. Die Welle 39 besitzt ein Zahn-

_ rad, das unmittelbar unter dem Motor 45 am oberen Ende des AU

.Arms zum Anlegen von Antriebskraft an die Welle angeordnet ist. In gleicher Weise besitzt die Welle 35 ein durch einen Motor 47 angetriebenes Zahnrad, wobei der Motor 47 im Oberarm 33 untergebracht ist. Diese Motoren sind Schrittmoto_ot_ ren, die auf digitale Impulse ansprechen, die über Lei-

tungen von der Abstützung 21 her übertragen werden.

Wie die Handgelenksbewegung ausgeführt wird, läßt sich deutlicher aus Fig. 3 ersehen, die vereinfachte Ansichten der Verbindungsstellen, Armabschnitte und Achsen der Fig.2

wiedergibt. Die Abstützung 21 trägt wie gezeigt die Halteplatte 23, durch die eine erste Achse 51 definiert als Drehachse verläuft. Die Drehachse dreht den Bügel 27 in Richtung der Pfeile A. Ein oberer Außenteil des Bügais definiert eine zweite Achse 53, nämlich eine Armschwenkachse,

um die der Bügel 29 in Richtung der Pfeile B rotiert. Im

unteren Teil des Bügels 29 ist eine dritte Schulterachse 55, nämlich eine Armneigungsachse definiert, um die der Oberarm 33 in Richtung der Pfeile C schwenkt.

Diese dreiaxiale Schulterverbindung ist derart ausgebildet, daß die Drehachse 51 die Schwenkachse 55 und die Neigungsachse 55 jeweils senkrecht zueinander verlaufen und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden, wenn die Achsen ins Freie

.,Q verlängert werden. Vorzugsweise liegt der Punkt auf der Welle 31, die den Oberarm 33 mit dem Bügel 29 längs der Neigungsachse verbindet. Der Oberarm 33 hat an seinem Ende eine Verbindung, die einfach aus einer Verlängerungsachse 57 parallel zur Neigungsachse 55 besteht. Die den Unterarm 37 mit dem Oberarm 33 verbindende Welle verläuft koaxial mit der Verlängerungsachse, so daß der Unterarm um die Verlängerungsachse in Richtungen gemäß den Pfeilen D sich dreht.

Das untere Ende des Unterarms 37 besitzt eine darin definierte Neigungsachse 59, wobei koaxial zu dieser Neigungsachse 59 eine Welle zur Abstützung des Werkzeughalters 43 für eine durch die Pfeile E angezeigte Spitzendrehung angebracht ist. Somit ist die bisher beschriebene Handgelenksbewegung einachsig um die Neigungsachse. Der Schwenkbereich des Handgelenks ist durch die Verlängerungsachse 57 gegeben. Eine drehende Werkzeugeinstellung wird mittels einer Spinnachse erzielt, die dem Werkzeughalter selbst zugeordnet ist. Das Handgelenk besitzt jedoch nicht mehr die Drehachse, wie sie durch die Pfeile Z in Fig. 1 angegeben ist.

Diese Drehung wird vielmehr durch die Kombination der Dreh- und Schwenkachsen des Schultergelenks erzielt. Auf diese Weise wurde ein Teil der Handgelenksbewegung in das Schultergelenk verlegt. Der Werkzeughalter 43 kann trotzdem noch

_nt, in eine beliebige Stellung innerhalb seines Einstellungsbe-

reichs gebracht werden, jedoch mit einer geringeren BeIa-

β ■ · m

stung als bei Verwendung einer komplizierteren Handgelenksverbindungsstelle .

Ein Beispiel der Werkzeughalterbewegung ist aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich. Fig. 4 zeigt, daß der Bügel 27 um die Drehachse 51 gedreht wurde, während der Bügel 29 bezüglich des Oberarms 33 > des Unterarms 37 und des Werkzeugbetätigungsarms 41 verhältnismäßig ortsfest geblieben ist. In

IQ Fig. 5 wurde der Bügel 27 ortsfest gehalten, während der Bügel 29 um die Schwenkachse 53 gedreht wurde. Auch ist eine gewisse Drehung des Werkzeugbetätigungsgliedes 41 um die Neigungsachse erfolgt. Während die Figuren 2 bis 5 nur Ober- und Unterarmabschnitte zeigen, können diese Abschnit-

!5 te auch weiter unterteilt sein, in eine Vielzahl von Armabschnitten, von denen jeder durch eigene Motoren gesteuert wird, und eigene Verbindungsstellen besitzt. Die erfindungsgemäßen Merkmale sind dargestellt mit einem Ober- und Unterarmabschnitt, mit einem einachsigen Ellenbogengelenk, einem

2Q dreiachsigen Schultergelenk und einem zweiachsigen Handgelenk, wenn auch die Werkzeughalter-Spinnachse mitgezählt wird, oder einem einachsigen Handgelenk, wenn die Werkzeughalter-Spinnachse nicht mitgezählt wird.

2g Die zweiachsige Handgelenksverbindung ergibt sich noch deutlicher aus Fig. 6. Ein Werkzeughalter 53 besitzt einen Codierer 61 an seinem rückwärtigen Ende. Wie zuvor erwähnt, ist der Werkzeughalter am Unterarm 37, einem Getriebekasten, mittels einer Welle 39 derart längs der Unterarmneigungs-

OQ achse angebracht, daß der Werkzeughalter sich um die Neigungsachse entsprechend der Pfeile E drehen kann. Der Werkzeughalter besitzt einen Kopf 63, an dem verschiedene Werkzeuge angebracht werden können. Der Kopf 63 rotiert axial um eine Spinnachse 65 gemäß den Pfeilen F. Die Rotationsbewe^ung ds2S Werkzeugs kann über ein Getriebe in f>ine Linearbewegung umgewandelt werden, so daß das Betätigungsorgan

Greifglieder zum Halten von Gegenständen· öffnen kann. Andererseits können an das Betätigungsorgan auch Backen- oder SchraubWerkzeüge angesetzt werden. Für ein Minimum an Masse

ist der Codierer 61 als optischer Codierer mit sehr niedri-5

gem Gewicht ausgeführt. Vorzugsweise ist die Spinnachse mit dem Schnittpunkt der Achsen 51, 53 und 55 der Schulter in Ausrichtung. Ein rotierender Werkzeughalter ist nicht erforderlich, da hydraulische oder pneumatische Werkzeuge

bevorzugt werden können. In einem derartigen Fall kann das 10

Handgelenk trotzdem wie gewünscht positioniert werden; die Werkzeugsteuerung erfolgt jedoch getrennt.

Die Ausdrücke "Ober" und "Unter" zur Beschreibung der Abschnitte des Automatenarms sind relativ und sollen nicht

im absoluten Sinne verstanden werden. Der Automatenarm gemäß der Erfindung kann in den verschiedensten Stellungen montiert werden, wo die Ausdrücke "Ober" und "Unter" umgekehrt sein könnten.

BAD ORIGINAL

Claims

β β · « V···

Intelledex Incorporated, I 1316-ΚΚ-57

33840" Eastgate Circle, 24;. Dezember 1983

Corvallis, Oregon 97333, USA

Patentansprüche

■

M J Automatenarm mit mehreren, mehrere Armabschnitte verbindenden Gelenkverbindungsstellen, wobei an einem sich auswärts erstreckenden Unterarmabschnitt eine Handgelenks-

„_ verbindung angebracht ist, deren äußeres Ende einen Werk-2b

zeuganschlufö trägt, und wobei ein gegenüber dem Unterarmabschnitt angeordneter Oberarmabschnitt alle anderen Abschnitte von einer Abstützung aus trägt, gekennzeichnet durch

eine dreiaxiale Schulterverbindung (51, 53, 55), die den Oberarmabschnitt (33) mit der Abstützung (21) verbindet,

eine in der Handgelenksverbindung definierte Nei- _> gungsachse (59), durch die eine Welle (39) verläuft, an ^^ der der Werkzeuganschluß (43) angebracht ist, und

eine horizontale Drehachse, die senkrecht zur Neigurtgaaohse (59) verläuft und die in der dreiachsigen Schulterverbindung definiert ist, um dem Werkzeugang Schluß (43) eine Neigungsbewegung zu erteilen.
2. Automatenar'm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Handgelenksverbindung einachsig ist.
3- Automatenarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Handgelenksverbindung zweiachsig ist.
,p· 4. Automatenarm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Armabschnitte vorgesehen sind, wobei der Oberarmabschnitt (33) mit dem Unterarmabschnitt (37) über eine Ellenbogengelenkverbindung (35) verbunden ist.
5. Automatenarm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ellenbogengelenkverbindung einachsig ist.

_nc
6. Automatenarm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Zo

dadurch gekennzeichnet , daß die dreiaxiale Schultergelenkverbindung durch drei zueinander senkrechte, einachsige Gelenkverbindungen gebildet wird, wobei die einachsigen Gelenkverbindungen eine Drehachse (51), eine Schwenkachse (53) und eine Neigungsachse (55) definieren und die Achsen sich in einem Punkt schneiden.
7. Automatenarm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Werkzeuganschluß (43) eine Spinnachse senkrecht zu der Nei-35

gungsachse der Handgelenksverbindung besitzt.

BAD ORIGINAL
8. Automatenarm, der dem Menschen nachgebildet ist, mit einer Schulter-, einer Ellenbogen- und Handgelenksverbindung, einer Abstützung, einem Oberarm, einem Unterc arm und einem Werkzeuganschluß, wobei eine Schultergelenkverbindung die Abstützung mit einem, ersten Ende des Oberarm verbindet und eine Oberarmschwenkachse und eine dazu senkrechte Oberarmneigungsachse aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Schultergelenkverbindung ferner eine Oberarmdrehachse (51) senkrecht sowohl zu der Schwenkachse (53) als auch zu der Neigungsachse (55) aufweist,

daß die Ellenbogengelenkverbindung ein erstes Ende des Unterarms (37) mit einem zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende des Oberarms (33) verbindet und eine Verlängerungsachse aufweist, die parallel zu der Neigungsachse (55) der Schultergelenkverbindung verläuft und

daß die Schultergelenkverbindung das zweite dem ersten Ende gegenüberliegende Ende des- Unterarms (37) mit dem Werkzeuganschlufö (Betätigungsargan) (43) verbindet und eine Neigungsachse (59) parallel zur Verlängerungsachse (57) der Ellenbogengerenkverbindung und der Neigungsachse (55) der Schultergelenkverbindung besitzt, wobei die Gelenkverbindungsdrehbewegung durch eine Drehbewegung der Schultergelenkverbindung erreicht wird.
9- Automatenarm nach Anspruch 8, dadurch; g e k e η η - ^® zeichnet, daß der VJerkzeuganschluß eine Spinnachse (65) senkrecht zur Neigungsachse (59) der Handgelenksverbindung besitzt.
10. Automatenarm nach Anspruch 8 oder 9, dadurch g e kennzeichnet, daß die Abstützung (23) eine vertikal an einem Ständer (20) angebrachte Platte (21,

23) ist, wobei die Schultergelenkverbindung von der Platte (21, 23) auskragt.
11. Automatenarm nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Dreh-, Schwenk- und Neigungsachsen (51, 53, 55) der Schultergelenkverbindung sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden.

_n
12. Automatenarm nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Schultergelenkverbindung einen von der Abstützung längs der Drehachse auskragenden Halterahmen aufweist, der einen überhängenden Teil besitzt, dessen einer Endbereich die Schwenkachse (53)

, _ in vertikaler Ausrichtung dazu definiert. 15
13- Automatenarm nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Schultergelenkverbindung ferner ein abstehendes Glied (27) aufweist, mit einem ersten Teil, durch den die Schwenkachse (53) verläuft und einem davon beabstandeten Bereich, durch den die Neigungs- und Drehachse (51, 55) verlaufen.
14. Automateriarm nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Werk-25

zeuganschluß (43) mit dem Unterarm (37) durch eine

längs der Neigungsachse (59) verlaufenden Welle (43) derart verbunden ist, daß eine Unterarmdrehung um die Verlängerungsachse des Ellenbogens in einer Ebene parallel zu der durch die Drehung des Werkzeuganschlusses 30

um die Neigungsachse definierten Ebene erfolgt.
15- Automatenarm nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Oberarm (33), der Unterarm (37) und der Werkzeuganschluß 35

(43) parallele Rotationsbewegungsebenen um parallele

BAD

Achsen haben, wobei die parallelen Ebenen zueinander versetzt sind.

p-
16. Automatenarm nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Ellenbogengelenkverbindung einachsig ist.

17· Automatenarm nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch _n gekennzeichnet, daß die Handgelenksverbindung einachsig ist.