DE3605133A1

DE3605133A1 - Manipulierbare einrichtungen

Info

Publication number: DE3605133A1
Application number: DE19863605133
Authority: DE
Inventors: Peter Croston Preston Fenemore
Original assignee: National Nuclear Corp Ltd
Current assignee: National Nuclear Corp Ltd
Priority date: 1985-02-19
Filing date: 1986-02-18
Publication date: 1986-08-21
Also published as: IT1187919B; IT8667118A0; GB8504232D0; GB2171076B; GB2171076A; FR2577460A1; GB8602083D0; JPS61192491A

Description

Beschreibung

Diese Erfindung betrifft manipulierbare Einrichtungen.

Ι/ν EP-PS 104 589 beschreibt einen mit vielen gelenkigen Gliedern versehenen Manipulator, der eine Anzahl von Abschnitten aufweist, die scharnierartig miteinander verbunden '" sind. Es sind jeweils Drähte mit den Abschnitten verbunden, um die Bewegung um die Scharniere zu bewirken. Die Drähte werden dadurch geführt, daß sie Elemente durchdringen, die sich quer zu den Abschnitten erstrecken.

Gemäß dieser Erfindung weist eine manipulierbare Einrichtung mehrere Abschnitte auf, die aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei benachbarte Abschnitte miteinander scharnierartig um eine einzige Achse schwenkbar verbunden sind, sowie mehrere Betätigungsexnrichtungen, um die Relativbewegung zwischen benachbarten Abschnitten zu bewirken; diese Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich ein flexibler Leitungskanal längs der Abschnitte sowie innerhalb dieser erstreckt.

Die Betätigungseinrichtungen können längliche Elemente aufweisen, mit einer äußeren Hülle und einem inneren Draht, der axial in der Hülle beweglich ist, z.B. Bowdenzüge. Die Hüllen können an den jeweiligen Abschnitten festgeklammert werden. Es können mehrere Wickeltromme]n vorgesehen sein, die jeweils den länglichen Elementen zugeordnet sind. Die Betätigungsexnrichtungen können dazu eingerichtet sein, die Relativbewegung wahlweise in jeder zweier entgegengesetzter Richtungen zu bewirken. Somit kann jeder Abschnitt zwei Bowdenzüge aufweisen, die jeweils

angeordnet sind, um den Abschnitt gegensinnig zu schwenken.

Mindestens zwei der Achsen können nicht-parallel sein. Aufeinanderfolgende Schwenkachsen können parallel oder geneigt sein. Die Abschnitte können zwischen den Scharnieren unterschiedliche Längen aufweisen.

Der flexible Leitungskanal kann innerhalb der Abschnitte ebenso festgeklammert werden, wie dies mit den Bowdenzügen geschieht.

Die Leitung kann durch Glieder getragen werden, die die Scharnierachsen bilden. Die Bereiche außerhalb des Leitungskanals können von der Innenseite des Leitungskanals her gesehen werden, und es können Spalte zwischen Abschnitten vorliegen, so daß die Bereiche außerhalb der Einrichtung vom Inneren des Leitungskanals her gesehen werden können.

Der flexible Leitungskanal kann Sichtfenster aufweisen. Der flexible Leitungskanal kann transparent sein.

Die Erfindung kann auf verschiedenartige Weise durchgeführt werden, und ein spezielles Ausführungsbeispiel mit möglichen Abwandlungen wird nun beispielsweise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

Figur 1 eine Seitenansicht einer Manipulatoreinrichtung ist,

Figur 2 eine Ansicht eines Teils der Figur 1 in vergrößertem Maßstab und teilweise im Schnitt ist,

Figur 3 einen Teil der Figur 1 in einer unterschiedlichen Ausrichtung zeigt,

Figur 4 einen Teil der Figur 1 in einer noch weiteren Ausrichtung zeigt,

Figur 5 eine Spinne zeigt,

Figur 6 eine Meßfühleranordnung zeigt, und

Figur 7 eine Seitenansicht eines Teils der Figur zeigt.

Die Einrichtung 10 weist einen tragenden Aufbau 11 auf, an welchem mehrere Wickeltrommeln 12 angebracht sind, die jeweils so angeordnet sind, daß sie den jeweiligen Betätigungsdraht 13 betätigen, auf welchen noch später Bezug genommen wird. Ein Ausschwenkrohr 14 ist zur axialen Vorwärts- und Einholbewegung am Aufbau 11 angebracht.

Jenes Ende des Rohres 14, das von den Trommeln 12 abgelegen ist, ist schwenkbar an einem flexiblen Mechanismus angebracht, der zwölf starre, hohle Verbindungsglieder oder Abschnitte aufweist, die scharnierartig miteinander verbunden sind, wobei benachbarte Verbindungsglieder miteinander um eine einzige Scharnierachse schwenkbar verbunden sind. Aufeinanderfolgende Verbindungsglieder (bis zu dem neunten Verbindungsglied und dieses mit eingeschlossen) sind um parallele Achsen schwenkbar verbunden. Somit ist das Ende des Rohres 14 mit dem ersten Verbindungsglied 20 um eine Achse 21 schwenkbar verbunden; das Verbindungsglied 20 ist mit dem nächsten Verbindungsglied 22 um eine Achse 23 schwenkbar verbunden, die parallel ist zur Achse 21, usw.. Es ist allerdings, wie in Fig.

gezeigt, das neunte Verbindungsglied 24 mit dem achten Verbindungsglied 25 um eine Achse 26 schwenkbar verbunden, die parallel ist zur Schwenkachse 27, welche das Verbindungsglied 25 mit dem siebenten Verbindungsglied 28 verbindet (parallel zur Achse 21), jedoch rechtwinklig zur Achse 29, die das Verbindungsglied 24 mit dem zehnten Verbindungsglied 30 verbindet. Die Achse 29 steht parallel zur Achse 33, die das Verbindungsglied 30 mit dem elften Verbindungsglied 34 verbindet. Das elfte Verbindungsglied 34 ist am zwölften Verbindungsglied um eine Achse schwenkbar angebracht, die parallel zur Achse 29 verläuft. In jedem Fall ist die Schwenkachse durch zwei Scharniere definiert, die einander diametral gegenüberliegen.

Somit ist die Achse 29 durch die Scharniere 31, 32 und die Achse 33 durch die Scharniere 32a definiert.

Wenn man mit der Zählung vom Tragrohr 14 ausgeht, dann sind die Verbindungsglieder eins bis neun um parallele Achsen schwenkbar verbunden, und die Verbindungsglieder zehn bis zwölf sind um Achsen schwenkbar verbunden, welche parallel zueinander und rechtwinklig zur Achse 21 verlaufen, wobei das Verbindungsglied neun mit dem Verbindungsglied zehn 30 um eine Achse 29 schwenkbar verbunden ist, die rechtwinklig steht zur Achse 21.

Die Verbindungsglieder sind nur zum Teil rohrförmig, so daß im nicht ausgelenkten Zustand (Fig. 2) der Aufbau Zwischenräume oder öffnungen 36 in der Seite darbietet, durch welche eine Inspektionseinrichtung nach außen blicken kann. Längs der Verbindungsglieder erstreckt sich ein flexibles inneres Rohr 37, das aus Kunststoff bestehen kann und transparent sein kann oder in seiner Wand transparente Abschnitte aufweisen kann. Die Inspektionsein-

richtung kann an einem flexiblen länglichen Element getragen sein, das längs des Rohres 37 eingeführt wird.

Die Verbindungsglieder können relativ zueinander um die Verbindungsscharniere mittels Drähten 13 bewegt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Drähte von Bowdenzügen gebildet, die eine flexible äußere Hülle und eine flexible innere Drahtlitze aufweisen, die axial in der Hülle beweglich ist. Die Litzen erstrecken sich von den Trommeln 12 durch das Rohr 14 und den Mechanismus 16. Somit weist in Fig. 2 eine der Litzen eine äußere Hülle 13b auf, deren Ende in einem Zugblock 42 befestigt ist, der im Verbindungsglied 28 befestigt ist, und das Ende des zugeordneten Drahtes 13c ist in einem Drahtzugblock 43 befestigt, der im benachbarten Verbindungsglied 25 befestigt ist. Ein diametral gegenüberliegender Draht 13d ist mit seiner äußeren Hülle 13e in einem Zugblock 44 befestigt, der im Verbindungsglied 28 diametral dem Block 42 gegenüberliegend befestigt ist, und das Ende des Innendrahtes 13f hiervon ist in einem Zugblock 45 befestigt, der im Verbindungsglied 25 dem Block 43 diametral gegenüberliegend befestigt ist. Die zwei Drähte 13c, 13f sind mit derselben Trommel 12 so verbunden, daß die Drehung der Trommel in einer Richtung am Draht 13c anzieht, um den Verbindungshebel 25 (und die weiter vom Rohr 14 entfernten Verbindungshebel) in der genannten Einrichtung zu schwenken, und die Drehung der Trommel 12 in der Gegenrichtung zieht am Draht 13f, um das Verbindungsglied 25 (und die vom Rohr 14 weiter entfernten Verbindungsglieder) in der genannten Gegenrichtung zu schwenken. Es ist ein Draht, um das Verbindungsglied 30 um die Achse 29 zu ziehen, bei 13h gezeigt, und ein Draht, um das Verbindungsglied 34 um die Achse 33 zu ziehen, ist bei 13k gezeigt.

So, wie in Fig. 3 gezeigt, kann der Mechanismus 16 gleichzeitig um mehrere der Schwenkachsen dadurch gebogen werden, daß man an verschiedenartigen der Bowdenzüge zieht.

Zwei Litzen-Zugblöcke sind im Ende des Rohres 14 befestigt, und ihre zugeordneten Drähte sind in den Blöcken im ersten Verbindungsglied befestigt, um zu ermöglichen, daß es beim Ziehen an den Drähten veranlaßt wird, um die Achse 21 zu schwenken.

Die Anordnung des Verbindungsgliedes 24 mit rechteckig stehenden Scharnierachsen ermöglicht es dem Mechanismus 16, eine biplanare Bewegung durchzuführen.

Eine Reihe mit Abstand angeordneter Spinnen bzw. Sterne 70 führen das Rohr 37. Die Spinnen weisen Scharnierstifte 71 auf, an welchen die Verbindungsglieder schwenkbar angebracht sind. In typischer Weise kann eine Spinne die Form zweier identischer Teile 72, 73 aufweisen, die Flansche 74 aufweisen, die durch Distanzstücke 75 mit Abstand mittels Schrauben 76 angebracht sind, wie schematisch in Fig. 5 gezeigt ist.

Jede Spinne kann gegenüberliegende Vorsprünge 77 aufweisen, von denen jeder mit einer oder mehreren öffnungen 78 ausgebildet ist, durch welche die Litzen 13 zur Führung hindurchlaufen können. Der Leitungskanal 3 7 kann in den Spinnen 70 dadurch getragen werden, daß seine äußere, gerippte Oberfläche mit der Innenfläche 79 der Spinnen in Eingriff steht.

Es könnte mehr als ein flexibler Leitungskanal 37 vorgesehen sein, der sich längs der Einrichtung erstreckt.

Die Einrichtung kann verwendet werden, um von ferne her Zugang und Inspektion beispielsweise zum Teil eines Kernreaktors an Stellen zu ermöglichen, zu welchen der Zugang beschränkt möglich oder umständlich ist.

Der rohrförmige, schlangenartige Skelettaufbau oder das Außenskelett 16 kann durch gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Betätigung ausgewählter Drähte (und somit Scharniere) bewegt werden .

Flexible längliche Einrichtungen können längs des Rohres 37 eingeführt und zurückgezogen werden. Diese Einrichtungen können an ihren Enden Werkzeuge oder Inspektionseinrichtungen tragen, die fernbetätigt werden können, und zwar durch Benutzung der flexiblen Einrichtung.

In abgewandelten Anordnungen sind die aufeinanderfolgenden Scharnierachsen zwischen den Verbindungsgliedern nicht alle parallel, sondern können zueinander geneigt sein. Beispielsweise können aufeinanderfolgende Scharnierachsen rechtwinklig oder unter anderen Relativwinkeln angeordnet sein. Mehr als ein Verbindungsglied 24 sollte im Mechanismus 16 vorgesehen sein, welches mehr oder weniger als zwölf Verbindungsglieder aufweisen könnte.

Die Verbindungsglieder können alle dieselbe axiale Länge zwischen den Scharnieren aufweisen, oder einige Scharniere können mit einem größeren Abstand angebracht werden als andere.

In einer weiteren Anordnung kann die Abtrennung und relative Neigung zwischen benachbarten Verbindungsgliedern in einer Folge von Verbindungsgliedern ausgewählt werden, um eine Spezialeinrichtung vorzusehen, um den Erfordernis-

sen eines speziellen Zugangsweges oder Einführweges für den Mechanismus 16 zu entsprechen.

Nachfolgend werden Beispiele von Einrichtungen genannt, die längs des Rohres 37 ausgefahren oder eingeführt werden können: Faser-Sichtgeräte bzw. -Endoskope, kleine Betriebsfernsehkameras, photographische Stehbildkameras, radiographische Quellen, Proberohre, Ultraschallsonden und Auftrageeinrichtungen für beispielsweise Verbindungsmittel, Schmiermittel, Mittel zum Verhindern der Korrosion und Farben.

Die Einrichtung kann im Verhältnis zu ihrem Querschnitt oder Durchmesser verhältnismäßig lang sein und sorgt für mehrfach gesteuerte gelenkige Bewegungen _;

Die Verbindungsglieder können auch durch andere Betätigungseinrichtungen als durch Bowdenzüge bewegt werden; beispielsweise können die äußeren Hüllen weggelassen werden, wenn die Drähte nahe den Achsen der Verbindungsgliedscharniere verlegt sind, durch welche sie hindurchtreten; es können auch elektromagnetische, elektrothermische, hydraulische oder pneumatische Betätigungseinrichtungen in einer Vielfalt von Kombinationen verwendet werden.

Meßumformer für die Informationsrückführung oder andere Einrichtungen können verwendet werden, um Daten über Lage und Bewegungsgeschwindigkeit aller ausgewählten Scharniere zu liefern, um die Steuerung des schlangenartigen Mechanismus 16 zu fördern.

Liner oder mehrere der mittleren Leitungskanäle 37 können aus transparentem Material aufgebaut sein oder können mit Sichteinrichtungen versehen sein, wie es auch bei

hohlen Verbindungsgliedern der Fall sein kann, um es einer Sichteinrichtung, etwa einem faseroptischen Sichtgerät, zu ermöglichen, längs der Längenerstreckung der Einrichtung und längs seines Einführungsweges nach außen zu "schauen", um das Einführen und ganz besonders das Zurückholen im Falle einer Funktionsstörung zu ermöglichen.

Zusätzlich zur Anordnung eines Leitungskanals, durch welchen die Einrichtungen dann eingeführt werden können, wenn sich die "Schlange" bereits in ihrer Endlage befindet, kann die Schlange auch als Manipulator verwendet werden, und der mittlere Leitungskanal kann verwendet werden, um Wartungsarbeiten auszuführen bzw. Wartungseinrichtungen zu tragen, die für eine Vielzahl von Arbeitsköpfen ohne weiteres ausgewechselt werden können (z.B. Fernsehkameras sowie Einrichtungen zum Sprühen von Farbe, Bohren, Schleifen, Schneiden und Schweißen); somit ist ein universell verwendbares Robotersystem geschaffen. Die Inspektion, Reinigung, das Schweißen und der Korrosionsschutz liefern beispielsweise eine zweckmäßige Kombination von Funktionen.

Die Einrichtung kann auch verwendet werden, um einen Führungskanal zum Einführen von Kabeln oder Schläuchen zu liefern, und zwar beispielsweise über Strecken hinweg, die sonst nur schwer zu benutzen wären.

Es kann.auch ein Aufbau in Modulbauweise verwendet werden. In diesem Fall kann eine Reihe von genormten Schwenkverbindungen vorgesehen werden und nachfolgend mit Rohrabschnitten oder anderen Hohlabschnitten mit Normdurchrcesser zusammengebaut werden, um eine Reihe von Verbindungsgliedern verschiedenartiger Längen und verschiedenartiger Winkel zwischen benachbarten Scharnierachsen zu liefern, so daß eine "Schlange" ohne weiteres für spezielle Zugangs-

wege und Anwendungen ausgebildet werden kann.

Die Wickeltrommeln 12 können von Hand oder durch Elektromotoren oder lineare Betätigungseinrichtungen betätigt werden, die eine Ergänzung für die Wickeltrommeln darstellen. Im letztgenannten Fall könnte eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung vorgesehen werden, um die Motoren- oder Betätigungseinrichtungen zu betreiben, und zwar beispielsweise in einer vorbestimmten Weise. Die Steuereinrichtung könnte einen Computer umfassen, und es ist erwünscht, Signale vorzusehen, die die Relativlagen benachbarter Verbindungsglieder anzeigen. In bequemer Weise können solche Signale durch Verwendung von Potentiometern erhalten werden, wie beispielsweise in Fig. 6 und 7 gezeigt, wo Verbindungsglieder A, B an der Stelle 80 scharnierartig miteinander verbunden sind und das Verbindungsglied A eine leitfähige Laufbahn 81 und das Verbindungsglied B einen Stromabnehmer 82 aufweist, der mit der Bahn 81 zusammenwirken kann, um ein Spannungs-Ausgangssignal am Leiter 83 zu liefern, welches abhängt von der relativen Wickellage der Verbindungslage A und B.

Der Aufbau 11 muß nicht horizontal sein, sondern könnte auch geneigt oder vertikal liegen.

Die Verbindungsglieder brauchen im Querschnitt nicht-kreisförmig zu sein, sondern könnten auch beispielsweise rechteckig oder sechseckig sein.

Der Leitungskanal 37 braucht nicht aus Kunststoff sein, sondern könnte auch die Form einer Schraubenfeder annehmen.

Die Hüllen der Bowdenzüge können weggelassen werden; in diesen Fällen sind die Drähte der Betätigungslitzen in

Trägern verschieblich, die an den neutralen Achsen der verschiedenartigen Scharniere angebracht sind.

Es können Rollen im Mechanismus 16 vorgesehen sein, um das Einführen und Herausziehen des Leitungskanals 37 zu unterstützen - die Rollen könnten beispielsweise an Bügeln oder Spinnen angebracht sein, die den Leitungskanal halten.

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Claims

SCHWABE · SANDMAIR · MARX PATENTANWÄLTE ; STUNTZSTRASSE 16 8000 MÜNCHEN 80 ' Anwaltsakte 34 810 VII Manipulierbare Einrichtungen Ansprüche

1. Manipulierbare Einrichtung mit mehreren, aufeinanderfolgend angeordneten Abschnitten, von denen benachbarte
Abschnitte um eine einzige Scharnierachse schwenkbar miteinander verbunden sind, und mehreren Betätigungseinrichtungen, um die Relativbewegung zwischen benachbarten Abschnitten zu bewirken,

dadurch gekennzeichnet , daß sich ein
flexibler Leitungskanal (37) längs der Abschnitte und innerhalb dieser erstreckt.

2. Manipulierbare Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß die Betätigungseinrichtungen längliche Elemente mit einer äußeren Hülle (13b)

VII/B/da

y,,· «„.-·■·.- ii'i,n' '.'■?'■?'·■ Xrf'-'k Vunc^e" 4?5'00 'BLZ .'¹JUiXi⁷Oi

--.c; B:i· « V'.r^en J-l'C'ioSSC 'BLZ ⁷OCSOC*¹, SW'f! Coae HYOQ DE Wl

"C--J -c V ."C"er· cVi 43 308 (BLZ 7OC¹OCSO.

und einem inneren Draht (13c) aufweisen, der axial in der Hülle beweglich ist.

3. Manipulierbare Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Hüllen an die jeweiligen Abschnitte angeklammert sind.

4. Manipulierbare Einrichtung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Betätigungseinrichtungen dazu eingerichtet sind, die Relativbewegung wahlweise in jeder zweier entgegengesetzter Richtungen zu bewirken.

5. Manipulierbare Einrichtung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens zwei der Achsen unparallel sind.

6. Manipulierbare Einrichtung nach jedem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet , daß der Leitungskanal (37) innerhalb der Abschnitte festgeklammert

7. Manipulierbare Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Leitungskanal durch Teile (70) getragen ist, die die Scharnierachsen festlegen.

8. Manipulierbare Einrichtung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Bereiche außerhalb des Leitungskanals von dessen Innenseite her sichtbar sind, und daß Zwischenräume (36) zwischen Abschnitten ausgebildet sind, so daß die Bereiche außerhalb der Einrichtung von der Innenseite des Leitungskanals her beobachtet werden können.

9. Manipulierbare Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Leitungskanal
durchsichtig ist.

10. Manipulierbare Einrichtung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (81, 82), die auf die Relativbewegung zum Steuern für die Betätigungseinrichtungen anspricht.