DE3640075A1 - Ausgleichseinrichtung fuer einen roboterarm - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ausgleichseinrichtung für einen Arm eines Industrieroboters, der durch einen Elektromotor angetrie­ ben wird.

Bisher wird die auf den Arm eines durch einen Elektromotor ange­ triebenen Industrieroboters ausgeübte Ausgleichsbelastung durch den Elektromotor abgestützt, und zwar zusammen mit dem Gewicht des vom Roboterarm getragenen Werkstücks. Bei einem großen Ro­ boter wird jedoch das Gewicht des Arms sehr groß und das zum Ausgleich des Arms erforderliche Gegengewicht erhöht sich des­ halb ebenfalls beträchtlich. Wenn somit sowohl das Gegengewicht als auch das Gewicht des Werkstücks von einem Elektromotor ab­ gestützt werden soll, dann erhöhen sich zwangsläufig Leistung und Größe des Elektromotors, was zu einer übermäßigen Steigerung des Platzbedarfs und des Leistungsverbrauchs des Elektromotors führt.

Bei einem großen Roboter ist es deshalb schwierig, Werkstücksbe­ lastung und Ausgleichsbelastung gleichzeitig durch einen Elektro­ motor abzustützen und es ist deshalb bereits eine Konstruktion vorgeschlagen worden, bei welcher die gesamten Lasten durch eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung abgestützt wer­ den. Weiterhin ist eine Konstruktion vorgeschlagen worden, bei welcher das Gewicht des Arms und dessen Ausgleichsmoment durch eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung abgestützt wer­ den, während für das Gewicht des Werkstücks und die für den Arm erforderliche Antriebskraft ein Elektromotor herangezogen wird.

Bei beiden beschriebenen Konstruktionen ist jedoch zusätzlich zu der elektrischen Kraftquelle eine gesonderte Antriebsquelle erforderlich und es werden Zusatzelemente benötigt, wie etwa ein Akkumulator und eine Druckluftquelle, womit sich weitere Schwierigkeiten ergeben, wie etwa Ölverluste und dergleichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Aus­ gleichseinrichtung für einen Roboterarm zu schaffen, bei wel­ cher die beschriebenen Nachteile üblicher Konstruktionen ver­ mieden sind. Genauer gesagt, es soll eine Ausgleichseinrich­ tung für einen Roboterarm geschaffen werden, die unabhängig von der vergleichsweise kleinen Größe des für den Antrieb des Roboterarms verwendeten Elektromotors für den Arm ein Aus­ gleichsmoment genügender Stärke erzeugt. Weiterhin sollen bei dieser Ausgleichseinrichtung alle Belastungen des Roboterarms durch einen einzigen Elektromotor kontrolliert werden, ohne die Hilfe pneumatischer oder hydraulischer Vorrichtungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausgleichseinrich­ tung für einen Roboterarm gelöst, die aus einer mit einem Ro­ boterarm derart verbundenen Drehwelle, daß diese sich entspre­ chend der Verschwenkbewegung des Roboterarms dreht, einem exzentrisch an einer Endfläche der Drehwelle angeordneten Bolzen und aus einer mit einer Feder versehenen Ausgleichsvorrichtung besteht, die sich zwischen dem Bolzen und einem Grundgestell des Roboters befindet, wobei die Position des Bolzens und die Charakteristik der Feder so gewählt werden, daß in jeder der beiden Endstellungen der Schwenkbewegung des Roboterarms ein wunschgemäßes Ausgleichsmoment zur Verfügung steht.

Vorzugsweise weist die Ausgleichsvorrichtung eine Stange, deren eines Ende drehbar mit dem Bolzen verbunden und deren anderes Ende in einem Federträger eingeformt ist, ein Gehäuse, dessen eines Ende drehbar am Grundgestell des Roboters befestigt und dessen anderes Ende in einen weiteren Federträger eingeformt ist, und eine Anzahl von Federn auf, die zwischen den an den Enden des Stabs und des Gehäuses ausgebildeten Federträgern einge­ spannt sind.

Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: Eine Vorderansicht eines Roboters mit Ausgleichsvorrich­ tungen nach der Erfindung für jeden Roboterarm,

Fig. 2: einen Querschnitt durch die Ausgleichseinrichtung zur Darstellung weiterer Einzelheiten, und

Fig. 3 und 4: Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausgleichseinrichtung.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der Fig. 1 bis 4 beschrieben. Der dargestellte Roboter weist ein Grundgestell 1, eine bewegliche Plattform 2, die auf dem Grundgestell 1 derart gelagert ist, daß sie sich um ihre Mittel­ achse drehen kann, einen auf der Plattform 2 angebrachten Elektromotor 3 als Drehantrieb für die bewegliche Plattform 2, eine auf der beweglichen Plattform 2 starr angebrachte Trag­ säule 4, einen schwenkbar an der Tragsäule 4 angelenkten unteren Arm 5, einen schwenkbar am unteren Arm 5 mittels einer Lager­ welle 6 angelenkten oberen Arm 7 und ein Handgelenk 8 mit Fingern 9 auf, das am Ende des oberen Arms 7 angeordnet ist. Zur Be­ tätigung des Handgelenks 8 und der Finger 9 sind Elektromotoren 10 und 11 vorgesehen. Ein weiterer Elektromotor 13 dient zum Verschwenken des oberen Armes 7 um die Lagerwelle 6, und zwar über ein Betätigungselement 12. Dabei ist die Anordnung so ge­ troffen, daß der Elektromotor 13 eine Schraubenspindel 14 des Betätigungselements 12 dreht und dabei eine Spindelmutter 15 verschiebt, mit der ein Betätigungshebel 16 und eine Betätigungs­ stange 17 verbunden sind. Der Hebel 16 und die Stange 17 dienen dazu, den oberen Arm 7 um die Lagerwelle 6 zu verschwenken. Eine am Hebel 16 befestigte Drehwelle 18 befindet sich an einer Ver­ bindungsstelle zwischen dem unteren Arm 5 und der Tragsäule 4, wobei ein Bolzen 19 exzentrisch an einer Endfläche der Drehwelle 18 befestigt ist.

Gemäß der Erfindung ist für die Ausbalancierung des oberen Armes 7 eine Ausgleichsvorrichtung 20 vorgesehen. Die Vorrich­ tung 20 weist eine Stange 21, deren eines Ende drehbar mit dem exzentrisch an der Drehwelle 18 befestigten Bolzen 19 verbunden ist, und ein Gehäuse 23 auf, durch welches sich die Stange 21 erstreckt, wobei das eine Ende des Gehäuses 23 mittels eines Gelenkbolzens 22 an der beweglichen Plattform 2 befestigt ist. Im Gehäuse 23 erstreckt sich ein Paket aus Ausgleichsfedern 26, die zwischen einem Feder-Tragkörper 24 am unteren Ende der Stange 21 und einem Feder-Tragteil 25 gehaltert sind, das sich an der Innenseite der oberen Wandung des Gehäuses 23 befindet, wobei die Federn durch Feder-Tragstäbe 27 geführt sind.

In ähnlicher Weise bei der Ausgleichsvorrichtung 20 ist ein Bolzen 31 exzentrisch an einer Endfläche einer Drehwelle 30 befestigt, die zusammen mit dem unteren Arm 5 relativ zur Säule 4 drehbar ist, wobei eine der Ausgleichsvorrichtung 20 ähnliche Ausgleichsvorrichtung 32 zwischen dem Bolzen 31 und der beweg­ lichen Plattform 2 angeordnet ist und zum Abgleich der Bewe­ gung des unteren Arms 5 dient.

Das Ungleichgewicht des oberen Arms 7 wird als die Differenz definiert, die zwischen den beiden Momenten besteht, nämlich eines für den vorderen Abschnitt von der Lagerwelle 6 bis zum Handgelenk 8 des Roboters und das andere Moment für den hinteren Abschnitt, der sich vom vorderen Abschnitt aus nach hinten er­ streckt. Für das Ungleichgewicht ergibt sich ein Maximalwert WL dann, wenn der obere Arm 7 eine horizontale Stellung ein­ nimmt, wohingegen der Wert des Ungleichgewichts kleiner wird, wenn der obere Arm 7 schräg zur Horizontalen verläuft.

Nimmt man einmal an, daß der Winkelbereich der Verschwenkung des oberen Arms 7 ungeführ 90° beträgt, dann wird der Bolzen 19 in die in Fig. 3 mit A bezeichnete Position gebracht, wenn der obere Arm 7 so geneigt ist, daß er seine obere Endstellung des Schwenkbereichs einnimmt, wobei dann das Moment WL ₁ des Ungleichgewichts durch das Produkt ausgeglichen werden muß, das sich aus der Rückholkraft P der Ausgleichsfeder 26, gegeben durch deren Formation w, und der Entfernung zwischen einer durch den Mittelpunkt der Drehwelle 18 und den Punkt A hindurch­ gehenden Vertikallinie 28 ergibt.

Wenn sich der obere Arm 7 in einer Schräglage entsprechend dem unteren Ende des Schwenkbereichs befindet, was in Fig. 3 in gestrichelten Linien dargestellt ist, dann wird das Moment des Ungleichgewichts des oberen Arms 7 zu WL ₂. In diesem Fall wird die Drehwelle 18 durch den Hebel 16 gedreht und der mit der Welle 18 verbundene Bolzen 19 wird in die Position B gebracht, womit sich der Deformationswert der Feder 26 ändert und zu δ + Δ δ wird. Die Rückholkraft P der Feder 26 wird somit größer, während die Entfernung zwischen der Position B und der durch den Mittelpunkt der Welle 18 hindurchgehenden Vertikallinie 28 kleiner und im wesentlichen zu Null wird. Aufgrund dieser Gegebenheiten werden die Federeigenschaft der Feder 26 und die Position des Bolzens 19 bezüglich seiner Entfernung vom Mittelpunkt der Welle 18 so gewählt, daß das Ausgleichsmoment der Ausgleichsvorrichtung 20 für die beiden Extrempositionen des oberen Arms 7 gleich den Ungleichgewichts-Momenten WL ₁ und WL ₂ ist.

In ähnlicher Weise wird der Abgleich des unteren Arms dadurch bewirkt, daß die Position des Bolzens 31 und die Federeigenschaft der Ausgleichsvorrichtung 32 entsprechend gewählt werden. Weil sich das Ungleichgewicht des unteren Arms 5 dann bis zu einem Minimalwert vermindert, wenn der untere Arm in seine aufrecht­ stehende Position verschwenkt ist, wird die Position des Bolzens 31 so gewählt, daß er dann in eine untere seitliche Position auf einer Vertikallinie 33 durch den Mittelpunkt der Drehwelle 30 kommt, wenn der untere Arm 5 senkrecht steht, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, und daß das Produkt der Rückholkraft P der Feder und die Entfernung zwischen dem Bolzen 31 und der Vertikal­ linie 33 mit einer Verschwenkung des unteren Arms 5 aus der ver­ tikalen Position heraus zunimmt.

Gemäß der Erfindung werden also ein Bolzen an einer bestimmten Stelle auf einer mit dem Arm verbundenen Drehwelle, so daß der Bolzen sich in Abhängigkeit von der Schwenkbewegung des Arms dreht, sowie eine Ausgleichsvorrichtung vorgesehen, die aus ei­ ner Stange, einem Federgehäuse, durch welches der Stab hindurch­ geht, sowie eine Anzahl von Federn vorgesehen, die im Federge­ häuse angeordnet sind und den Stab umgeben, wobei die Federn sich zwischen dem Bolzen und der beweglichen Plattform befinden. Die Exzentrizität des Bolzens und die Charakteristik der Federn werden dabei so gewählt, daß an beiden Endpunkten des Ver­ schwenkbereichs des Arms ein Abgleich stattfindet. Die Folge ist, daß das Ausgleichsgewicht für den Arm sich automatisch auf die jeweilige Schrägstellung des Arms einstellt. Weiterhin kann eine große Rückstellkraft der Feder trotz der geringen Größe des Federgehäuses erhalten werden, und zwar dadurch, daß die Zahl und die Gestalt der Federn entsprechend gewählt wird. Schließlich kann eine genügend große Ausgleichskraft erzielt werden, die in der Lage ist, einen Abgleich auch bei einem schweren Arm eines großen Roboters zu gewährleisten. Diese Merkmale führen zu weiteren Vorteilen, nämlich zur Verminderung der Größe des Elektromotors, der Nicht-Erfordernis zusätzlicher Antriebsquellen, der Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts auch bei Unterbrechung der Antriebsleistung, der Vermeidung gefähr­ licher Zustände und der Vereinfachung der Wartung und Inspektion des Roboters.

Claims (4)

1. Ausgleichseinrichtung für den Arm eines Roboters, gekenn­ zeichnet durch eine mit dem Roboterarm (7) derart verbundene Drehwelle (18), daß sie sich entsprechend der Verschwenkbewe­ gung des Arms (7) dreht, einen exzentrisch auf einer Endfläche der Drehwelle (18) angeordneten Bolzen (19) und eine mit einer Feder (26) versehene Ausgleichsvorrichtung (20) zwischen dem Bolzen (19) und einem Grundgestell (10) des Robotors, wobei die Position des Bolzens (19) und die Charakteristik der Feder (26) derart gewählt sind, daß in jeder der beiden Endstellungen der Verschwenkbewegung des Arms (7) ein gewünschtes Ausgleichsmoment existiert.

2. Ausgleichseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausgleichsvorrichtung (20) aus einer Stange (21), deren eines Ende drehbar mit dem Bolzen (19) verbunden und des­ sen anderes Ende in einen Federträger (24) eingeformt ist, aus einem Gehäuse (22), dessen eines Ende schwenkbar mit dem Grundge­ stell (1) des Roboters verbunden und dessen anderes Ende in ei­ nen weiteren Federträger (25) eingeformt ist, und aus einer An­ zahl von Federn (26) besteht, wobei die Federn (26) zwischen den an den Enden der Stange und des Gehäuses ausgebildeten Federträ­ gern (24, 25) gehaltert sind.

3. Ausgleichseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drehwelle (18) über Gestänge mit einem Roboterarm verbunden ist.

4. Ausgleichseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drehwelle (18) unmittelbar mit einem ihr benach­ barten Roboterarm verbunden ist.