DE3431453C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen biegsamen und längenveränderbaren mechanischen Manipulatorarm aus einer Mehrzahl von hintereinan­ der angeordneten gleichen Gelenkeinheiten gemäß den Oberbegrif­ fen der Patentansprüche 1 und 2.

Ein derartiger biegbarer und längenveränderbarer mechanischer Manipulatorarm ist in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 34 00 362 offenbart.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den erwähnten Mani­ pulatorarm nach der DE-OS 34 00 362 in der Weise zu gestalten, daß er einen einfacheren Aufbau hat und bezüglich seiner Be­ wegungen leichter steuerbar ist. Eine erste Lösung dieser Auf­ gabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patent­ anspruchs 1, eine zweite Lösung dieser Aufgabe aus den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 2. Besonders zweck­ mäßige Ausbildungen der Lösung gemäß Patentanspruch 1 sind in den Unteransprüchen 3 bis 5 enthalten.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dar­ gestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt nach der Linie I-I von Fig. 2 durch eine erste Ausführungsform der Erfindung, wobei der Arm im zusammenge­ zogenen Zustand dargestellt ist,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt durch den in Fig. 1 durch einen Kreis III bezeichneten Bereich,

Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV von Fig. 3,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Arms von Fig. 1, und zwar in ausgezogenem Zustand,

Fig. 6 eine Seitenansicht des Arms bei dessen Bie­ gung in verschiedene Richtungen,

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine Ab­ wandlungsform der Erfindung, wobei drei Gestängeanordnungen in Form eines gleichseitigen Dreiecks vorgesehen sind,

Fig. 8, 9, 10a, 10b und 11 Seitenansichten weiterer Ausführungs­ formen der Erfindung,

Fig. 12 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Abwandlungsform mit drei auszieh­ baren und zusammenziehbaren Stäben mit Doppelgewinde,

Fig. 13 einen Querschnitt nach der Linie XIII-XIII von Fig. 12,

Fig. 14 einen Querschnitt durch ein Universal­ gelenk, wie es bei der Ausführungsform von Fig. 13 verwendet ist,

Fig. 15 einen vergrößerten Querschnitt nach der Linie XV-XV von Fig. 12, und

Fig. 16 eine Seitenansicht einer Armeinheit von Fig. 12, wobei die obere Grundplatte zur Erzielung einer Krümmung schräg geneigt ist.

Die Fig. 1-6 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. Gemäß den Fig. 1 und 2 ist eine Vielzahl von - beim Ausführungs­ beispiel 8 - kurzer, zylindrischer bzw. kreisringförmiger Hülsen­ körper 1 vorgesehen, die in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, wobei benachbarte Hülsenkörper 1 durch zu­ mindest drei Gestängeanordnungen 2 miteinander verbunden sind, die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt sind, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Jede Gestängeanordnung 2 besteht aus zwei Hebeln 2 a, die durch einen Gelenkstift 2 b gelenkig miteinander verbunden sind, so daß der Winkel zwischen den beiden Hebeln veränderbar ist, womit der Arm verlängert bzw. verkürzt werden kann. Gemäß Fig. 2 erstrecken sich die Gestängeanordnungen 2 in radialer Richtung, ausgehend vom Mittelpunkt der Hülsen­ körper 1. Die anderen Enden der Hebel 2 a sind mit der Innen­ fläche des zugehörigen Hülsenkörpers 1 über biegsame Kupplungen bzw. Universalkupplungen 3 verbunden. Diese biegsamen Kupplungen 3 sind gemäß den Fig. 3 und 4 mit einem Halter 4 versehen, der sich vom Hülsenkörper 1 nach innen erstreckt, wobei Kreuzstifte 5 mit ihren radialen Stiften 5 a drehbar mit dem Halter 4 verbunden sind. Verbindungskörper 6 stehen von den Enden der Hebel 2 a ab und sind drehbar mit den in Umfangs­ richtung verlaufenden Stiften 5 b der Kreuzstifte 5 verbunden. Damit wird erreicht, daß sich jeder Hebel 2 a in jede gewünschte Richtung neigen kann. Eine Zylinder-Kolben-Anordnung 7 ist zwischen den beiden Hebeln 2 a jeder Gestängeanordnung 2 vorge­ sehen und durch Drehstifte 7 a damit verbunden, um so die Gestängeanordnung verlängern und verkürzen zu können. Der Hülsenkörper 1 an dem einen Ende des Arms ist mit einem stationären Körper 8 fest verbunden, während der Hülsenkörper 1 am Arbeitsende des Arms einen Detektor 9 oder irgendeinen anderen Körper trägt, der vom Arm manipuliert werden soll.

Die Ausführungsform nach den Fig. 1-4 arbeitet folgendermaßen.

Der Arm befindet sich in seiner in Fig. 1 dargestellten, zusammengezogenen Position. Nunmehr wird ein Druckfluid den entsprechenden Kolben-Zylinder-Anordnungen 7 zugeführt, mit der Folge, daß die Kolben 7 b sich nach außen bewegen, womit die entsprechenden Hebel 2 a sich kontinuierlich spreizen, so daß sich der Arm verlängert.

Wenn sich drei Kolben-Zylinder-Anordnungen 7, die mit gleichem Abstand in Umfangsrichtung verteilt sind, sich um den gleichen Betrag ausdehnen, dann wird der Arm linear verlängert, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist.

Wenn die drei Kolben-Zylinder-Anordnungen dagegen ungleichmäßig ausgedehnt werden, dann biegt sich der Arm in der gewünschten Richtung, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist, so daß der Arm sich über ein Hindernis 10 erstrecken kann.

Der Arm wird durch Zurückziehungskolben 7 der Kolben-Zylinder- Anordnungen wieder zusammengezogen.

Wie erläutert, kann sich der Arm nach dieser ersten Ausführungs­ form nicht nur in gerader Richtung ausdehnen und zusammen­ ziehen, sondern auch in jeder gewünschten Richtung Biegungen und Krümmungen ausführen.

Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, wobei drei Gestängeanordnungen in Form eines gleichseitigen Dreiecks vorgesehen sind.

Genauer gesagt, es sind drei Biegegelenke 3 mit gleichen Abständen untereinander an der inneren Oberfläche des Hülsen­ körpers 1 über Lagerbügel 11 befestigt, und jede Gestängean­ ordnung 2 ist mit dem Gelenk 3 verbunden und bildet so eine Seite des gleichseitigen Dreiecks. Auch bei dieser Aus­ führungsform kann der Arm durch Betätigen der Kolben 7 b ent­ sprechender Kolben-Zylinder-Anordnungen 7 verkürzt bzw. ver­ längert werden. Um eine relative Neigung zwischen benachbarten Hülsenkörpern 1 zu erreichen, genügen drei Gestängeanordnungen 2, wenn erwünscht kann jedoch die Zahl der Gestängeanordnungen auf vier oder mehr erhöht werden.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Arms, wobei ein Elektromotor 12 an einer mittleren Stelle eines Hebels 2 a angebracht ist. Eine an der Motorwelle 12 a befestigte Schnecke 13 kreist in ein Schneckenrad 14 ein, das am einen Ende des anderen Hebels 2 a angebracht und konzentrisch zu einem Ge­ lenkstift 2 b ist.

Dreht sich bei dieser Ausführungsform der Motor 12 in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung, dann dreht sich auch das Schneckenrad in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung, womit der von den Hebeln 2 a eingeschlossene Winkel geändert wird, mit der Folge der Veränderung des Abstands zwischen benachbarten Hülsenkörpern 1. Das Ausmaß der Verlängerung oder Verkürzung des Arms kann bei dieser Ausführungsform noch genauer eingestellt werden als bei den vorausgehenden Ausführungsformen, und zwar durch Steuerung der Umdrehungszahl des Motors 12.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Arms, wobei eine Gewindestange 15 durch den Mittelbereich entsprechender Hebel 2 a hindurchgeführt ist. Ein Ende dieser Gewindestange bzw. Spindel 15 ist drehbar in einem Kugellager 16 gelagert, und das andere Ende ist durch eine kugellagerartig ausge­ bildete Mutter 17 geschraubt. Ein an der Spindel 15 befestigtes Zahnrad 18 wird durch einen Elektromotor 19 angetrieben, und zwar über dessen Ausgangswelle 19 a und ein Zahnrad 20, wobei der Motor 19 am Hebel 2 a befestigt ist.

Bei dieser Ausführungsform kann der von den Hebeln 2 a einge­ schlossene Winkel durch den in Vorwärtsrichtung oder Rück­ wärtsrichtung laufenden Motor 19 verändert werden.

Die Fig. 10a und 10b zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Kolben-Zylinder-Anordnung 7 an einem stationären Körper 8 angebracht ist und zwischen Kolben- Zylinder-Anordnung 7 und den Hebeln 2 a eine flexible Draht­ anordnung 21 vorgesehen ist. Der innere Draht 21 a der Draht­ anordnung ist zwischen Kolben 7 b und dem weiter entfernten Hebel 2 a, der andere Draht 21 b zwischen dem stationären Körper 8 und dem näheren Hebel 2 a angeordnet. Darüber hinaus befindet sich zwischen den beiden Hebeln 2 a eine Druckfeder 22.

Wenn der Kolben 7 b gegen die Kraft der Feder 22 zurückgezogen wird, dann nimmt der Abstand zwischen benachbarten Hülsen­ körpern 1 ab, wie dies in Fig. 10a gezeigt ist, wohingegen dann, wenn der Kolben 7 b ausfährt, der Abstand sich gemäß Fig. 10b vergrößert. Weil bei dieser Ausführungsform die Kolben-Zylinder- Anordnung am stationären Körper 8 angebracht ist, besteht die Möglichkeit, das Gewicht des Arms niedriger zu halten als bei den vorab beschriebenen Ausführungsbeispielen. Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform. Dabei ist eine Feder aus einer formhaltenden Legierung zwischen zwei benachbarten Hebeln 2 a vorgesehen, wobei die Temperatur der Feder durch ein Heiz­ element, das nicht dargestellt ist, gesteuert wird, so daß sich die Länge der Feder entsprechend der vom Heizelement vorgege­ benen Temperatur ändert und die Hebel sich somit öffnen bzw. schließen.

Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Gestängeanordnungen zum Betätigen der gleichen Bauelemente durch ausziehbare und zusammenziehbare Hebel mit Doppelgewinde ersetzt.

Fig. 12 zeigt eine Einheit eines solchen modifizierten, ver­ längerbaren und verkürzbaren Armes nach der Erfindung. Dabei ist eine Vielzahl von Einheiten in Reihenanordnung miteinander verbunden, um so einen Arm zu bilden, der geradlinig verlängert und verkürzt, sowie in jeder beliebigen Richtung gebogen werden kann. Die in Fig. 12 dargestellte Einheit weist eine kreis­ scheibenförmige Grundplatte 101 und drei oder mehr sich vertikal erstreckender ausdehnbarer und zusammenziehbarer Hebelanordnungen 102 mit Doppelgewinde auf, die mit gleichmäßigem Abstand am Umfang der Grundplatte 101 befestigt sind. Jede Hebelanordnung 102 weist einen stationären Zylinder 103, der an der untern Grundplatte 101 befestigt ist, eine erste Gewindestange 104 und eine zweite Gewindestange 105 auf. Eine kreisscheiben­ förmige obere Grundplatte 107 ist drehbar mit dem oberen Ende der zweiten Gewindestange 101 verbunden, und zwar mittels eines Biege- oder Universalgelenks 106. Am oberen Ende jeder Hebelanordnung 107 ist eine Anordnung 108 zum Ausdehnen bzw. Zusammenziehen der Gewindestangen 104 und 105 vorgesehen. Die erste Gewindestange 104 hat die Form eines Hohlzylinders und ihr Außengewinde 104 a greift in das Innengewinde 103 a der Innenwand des stationären Zylinders 103 ein. Das Außengewinde 105 a greift in das Innengewinde 104 b des oberen Bereichs der Innenfläche der ersten Gewindestange 104 ein. Wie sich aus Fig. 13 ergibt, ist in der ersten Gewindestange 104 ein axialer Keil­ schlitz 104 c vorgesehen. Der Antriebsmechanismus 108 weist ein Schneckenrad 109 auf, das unter Einhalten eines kleinen Spalts die erste Gewindestange 104 umgibt und sich frei um diese drehen kann. In dieses Schneckenrad 109 greift eine Schnecke 110 ein. Außerdem ist ein umkehrbarer Motor 111 vorgesehen. Gemäß Fig. 13 sind das Schneckenrad 109 und die erste Ge­ windestange 104 durch ein Kopplungselement 112 gekoppelt, das in den Schlitz 104 c eingesetzt ist. Gemäß Fig. 14 weist das Gelenk 106 ein Kugelgelenk 106 a, das am oberen Ende der zweiten Gewindestange 105 befestigt ist, einen sich gleitend durch das Kugelgelenk 106 a erstreckenden Stift 106 b und L-förmige Flansche 106 c auf, die von der unteren Oberfläche der oberen Grundplatte 107 nach unten abstehen und die entgegengesetzten Enden des Stifts 106 b tragen. Gemäß Fig. 15 sind drei Stifte 106 b parallel zueinander angeordnet, wobei der oberste Stift 106 b, wie aus Fig. 15 ersichtlich, in einem nicht gezeichneten Schlitz des Flansches 106 c sitzt und sich somit in einer Richtung senkrecht zur Stiftachse bewegen kann.

Die oberen und unteren Grundplatten 107 bzw. 101 benachbarter Einheiten des Arms sind durch geeignete Mittel so miteinander verbunden, daß sich eine einstückige Scheibe entsprechend den Hülsenkörpern 1 von Fig. 1 ergibt, womit sich ein zusammenziehbarer und ausdehnbarer Arm ergibt, der in ähnlicher Weise arbeitet, wie der Arm von Fig. 1.

Wenn die Motoren 110 der Antriebsmechanismen 108 zur gleichen Zeit in gleicher Richtung laufen, dann werden alle Gewinde­ stangen 105 der zugehörigen Einheiten des Arms verlängert oder verkürzt, und zwar um den gleichen Betrag, so daß der Arm als Ganzes sich geradlinig verlängert bzw. verkürzt, wobei die oberen und unteren Grundplatten 107 und 101 parallel zuein­ ander verbleiben, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist.

Um die obere Grundplatte 107 in eine Schrägstellung zu bringen, also um den Arm zu biegen, werden die Motoren 111 der ent­ sprechenden Einheiten unterschiedlich lang oder mit unter­ schiedlicher Geschwindigkeit angetrieben. Weist die obere Grundplatte 107 eine Neigung auf, dann gleitet das Kugel­ lager 106 a längs des Stiftes 106 b, um so den Entfernungs­ unterschied zwischen den Achsen der Stifte 106 b auszugleichen. Weil, wie erwähnt, jeder Stift 106 b gleitbar in Schlitzen der Flansche 106 c gelagert ist, gleicht diese Anordnung auch Entfernungsveränderungen zwischen den Achsen aus. Der Arm kann somit in jeder gewünschten Richtung gebogen bzw. gekrümmt werden.

Wie erwähnt, kann der Arm nach vorliegender Erfindung bei allen Ausführungsbeispielen nicht nur geradlinig verlängert bzw. verkürzt, sondern auch in allen drei Achsrichtungen ge­ bogen werden, so daß ein am freien Ende des Arms befindliches Werkzeug, ein Detektor oder dergleichen, auch bei engen Durchgängen bzw. Durchlässen in die gewünschte Arbeitsposition gebracht werden kann.

Claims (5)

1. Biegbarer und längenveränderbarer mechanischer Manipu­ latorarm aus einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten gleichen Gelenkeinheiten, deren jede aus zwei Platten­ körpern besteht, die zur Änderung ihrer Winkelstellung und/oder ihres Abstandes zueinander durch zumindest drei Stellelemente gelenkig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stellelement aus einer Gestänge­ anordnung (2) besteht, deren zwei Hebel (2 a) an ihren inneren Enden durch einen Stift (2 b) miteinander und deren äußere Enden über Universalgelenke (3) mit den Plattenkörpern (1) verbunden sind, und daß Antriebselemente (7, 12, 19) zum Bewegen der Hebel um ihren Stift vorgesehen sind.

2. Biegbarer und längenveränderbarer mechanischer Manipu­ latorarm aus einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten gleichen Gelenkeinheiten, deren jede aus zwei Plattenkörpern besteht, die zur Änderung ihrer Winkelstellung und/oder ihres Abstandes zueinander durch zumindest drei Stellelemente gelenkig miteinander verbunden sind, wobei die Stellelemente an einem Plattenkörper (101) starr und an dem anderen Plattenkörper (107) mit Universalgelenken angebracht sind, wovon wenigstens zwei Universalgelenke in der Plattenebene verschieblich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellelemente aus einem Zylinder (103) mit Innengewinde (103 a), einer ersten hohlen Gewindestange (104) mit in das Innengewinde (103 a) des Zylinders (103) eingreifendem Außengewinde (104 a) und Innengewinde (104 b), sowie einer zweiten Ge­ windestange (105) mit in das Innengewinde (104 b) der ersten Gewindestange (104) eingreifendem Außengewinde (105 a) bestehen, wobei die erste Gewindestange (104) über An­ triebselemente (108) drehbar ist.

3. Manipulatorarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente zum Bewegen der Hebel (2 a) aus Mo­ toren (7) bestehen, die an einer mittleren Stelle der Hebel (2 a) angelenkt sind, und daß mit dem einen Ende des jeweils anderen Hebels über den Verbindungsstift (2 b) ein Schnecken­ rad (14) verbunden ist, das in eine Schnecke (13) eingreift, die vom Motor (7) antreibbar ist (Fig. 8).

4. Manipulatorarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente zum Bewegen der Hebel (2 a) aus einer Gewindestange (15) bestehen, deren eines Ende durch den einen Hebel (2 a) hindurchgeschraubt ist und deren anderes Ende ein Zahnrad (18) trägt, das durch einen am zahnradseitigen Hebel (2 a) angebrachten Motor (19) antreibbar ist (Fig. 9).

5. Manipulatorarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente zum Bewegen der Hebel (2 a) aus einer Feder (22), die zwischen den Hebeln (2 a) angeordnet ist, aus einer Kolben-Zylinder-Anordnung (7) mit an einem ortsfesten Körper (8) befestigten Zylinder und einer flexiblen Draht­ anordnung (21) bestehen, wobei ein Draht (21 b) zwischen dem stationären Körper (8) und dem einen Hebel (2 a) und der andere Draht (21 a) zwischen dem Kolben (7 b) der Kolben-Zylinder- Anordnung (7) und dem anderen Hebel (2 a) angeordnet ist (Fig. 10).