DE4242575A1 - Motor driven joint module for multi degree of freedom remotely controlled manipulators - has motor in housing with bevel gear transmission to output section with built-in connections for coupling units together. - Google Patents

Motor driven joint module for multi degree of freedom remotely controlled manipulators - has motor in housing with bevel gear transmission to output section with built-in connections for coupling units together.

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DE4242575A1 DE19924242575 DE4242575A DE4242575A1 DE 4242575 A1 DE4242575 A1 DE 4242575A1 DE 19924242575 DE19924242575 DE 19924242575 DE 4242575 A DE4242575 A DE 4242575A DE 4242575 A1 DE4242575 A1 DE 4242575A1
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Abstract

A remote controlled manipulator with a number of degrees of freedom is constructed using servo controlled joint modules. Each module has a fixed housing (3) into which the motor (2) is set. The lower end of the unit has a housing (11) rotated through an arc and supported on a roller bearing (3B). The transmission to the unit is provided by a bevel gearing arrangement (5A,5B). Electrical communication is provided by connectors (9,16) with cables looped in a housing (12). Units may be coupled together. ADVANTAGE - Modules provide flexibility in construction of multi degree of freedom system.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Gelenkmodul für einen fernbetätigbaren Manipulator, welcher anstelle einer Bedie­ nungsperson verschiedene Arten von Operationen auszuführen vermag. Außerdem betrifft die Erfindung einen fernbetätigba­ ren Manipulator, der aus einer gewissen Anzahl von Gelenkmo­ dulen der obengenannten Art aufgebaut ist.The present invention relates to a joint module for a remote manipulator, which instead of an operator perform various types of operations can In addition, the invention relates to a remote control ren manipulator, which consists of a certain number of joint motor Dulen of the above type is constructed.

Reparaturarbeiten an einem fernbetätigbaren Manipulator, der verschiedene Arten von Arbeiten anstelle einer menschlichen Bedienungsperson ausführt, werden mit Hilfe eines weiteren fernbetätigbaren Manipulators vorgenommen, wenn es sich um eine für den direkten Zugang ungeeignete Umgebung handelt, beispielsweise einen Kernreaktor, eine Raumstation oder der­ gleichen. Wenn unter den genannten Umständen ein Manipulator aus irgendeinem Grund nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet, muß man den Manipulator innerhalb kürzestmöglicher Zeit durch einfache Griffe reparieren. Um sicherzustellen, daß beschä­ digte oder gebrochene Bauteile eines Manipulators sich ein­ fach durch neue Teile ersetzen lassen, wurden Versuche ge­ macht, die beschädigten oder gebrochenen Bauteile mit sog. Einmalzugriff von dem Manipulator abzunehmen und neue Bau­ teile anzubringen.Repair work on a remote manipulator, the different types of work instead of a human Operator runs with the help of another remotely operated manipulator made when it is is an environment unsuitable for direct access, for example a nuclear reactor, a space station or the same. If under the circumstances mentioned a manipulator for some reason has stopped working properly to go through the manipulator in the shortest possible time repair simple handles. To ensure that dam damaged or broken components of a manipulator have been replaced with new parts, tests have been carried out makes the damaged or broken components with so-called One time access to remove from the manipulator and new construction attach parts.

Bei Arbeiten, die in einer für den menschlichen Zugang unge­ eigneter Umgebung durch einen Manipulator vorgenommen werden sollen, gibt es Situationen, in denen Reparaturarbeiten nicht von einem einzigen Manipulator vorgenommen werden können, da eine Reihe von Arbeitsschritten vorgenommen werden muß. Spe­ ziell dann, wenn eine Vorrichtung oder eine Anlage mit ver­ schiedenen Arten von Bauteilen durch Handhaben eines einzigen Manipulators angemessen gewartet oder repariert werden soll, sind der Wirkungsbereich, die Anzahl der Freiheitsgrade und das von dem Manipulator tragbare Gewicht unterschiedlichen Beschränkungen unterworfen. In diesem Zusammenhang wurden seitens der Benutzer Forderungen erhoben, die vorstehend ge­ nannten Faktoren zu verbessern. Im Hinblick auf den Umstand, daß der Manipulator in dem engen Raum eines Kernreaktors be­ tätigt wird, während er gleichzeitig einer hohen Dosis radio­ aktiver Strahlung ausgesetzt ist, und weiterhin im Hinblick darauf, daß das Hinaufschießen einer schweren Raumstation in den Raum äußerst kostspielig ist, verbietet es sich, mehrere Manipulatoren in das Arbeitsgebiet des Kernreaktors bzw. der Raumstation zu bringen.For work that is in an unsuitable for human access suitable environment by a manipulator there are situations in which repair work is not can be done by a single manipulator because a number of steps must be taken. Spe especially when a device or system with ver different types of components by handling a single one The manipulator is to be adequately maintained or repaired,  are the effective range, the number of degrees of freedom and the weight that can be carried by the manipulator Subject to restrictions. In this context on the part of the user claims, the above ge mentioned factors to improve. In view of the fact that the manipulator be in the confined space of a nuclear reactor is done while receiving a high dose of radio exposed to active radiation, and still in view on the shooting up of a heavy space station in the room is extremely expensive, it prohibits several Manipulators in the working area of the nuclear reactor or Bring space station.

Im Hinblick auf die letztgenannten Umstände wurde von den An­ wendern der Wunsch geäußert, einen Manipulator zur Verfügung zu haben, der das freie Ändern spezieller Faktoren gestattet, beispielsweise das Ändern der Anzahl von Freiheitsgraden, der Länge der einzelnen Armglieder oder dergleichen, und zwar durch Ausgestaltung jedes Gelenkabschnitts in Form eines Ge­ lenkmoduls und Austauschen einer Anordnung von Gelenkab­ schnitten durch andere Gelenkabschnitte. Außerdem sollen Re­ paraturarbeiten in einfacher Weise so durchgeführt werden können, daß man beschädigte oder gebrochene Gelenkabschnitte durch neue Abschnitte austauscht, wenn der Manipulator nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet. Um diesen Anforderungen zu genü­ gen, wurden zahlreiche Vorschläge für Mechanismen und Kon­ struktionen gemacht, mit deren Hilfe die Gelenkabschnitte verbunden und gelöst werden können.With regard to the latter circumstances, the An expressed the wish to have a manipulator available to have the freedom to change specific factors freely, for example changing the number of degrees of freedom, the Length of the individual arm links or the like, namely by designing each joint section in the form of a Ge steering module and replacing an arrangement of articulation cut through other joint sections. In addition, Re repair work can be carried out in a simple manner can that one has damaged or broken joint sections replaced by new sections if the manipulator is not works more properly. To meet these requirements numerous proposals for mechanisms and con structures made with the help of the joint sections can be connected and detached.

Da allerdings bei dem herkömmlichen Manipulator sich ein Ka­ belbaum in dem Hauptkörper des Manipulators erstreckt, um den jeweiligen Wellen elektrische Leistung zuführen zu können und Signale über die Wellen zu übertragen, ist es nicht einfach, beschädigte oder gebrochene Bauelemente durch neue Teile zu ersetzen und die Art und Weise zur Festlegung der Anzahl von Freiheitsgraden zu ändern. Allgemein gesprochen, ist ein ge­ lenkiger Manipulator in Form eines freikragenden Balkens aus­ gebildet. Aus diesem Grund reduziert sich ein für jeden Ge­ lenkabschnitt in dem Manipulator erforderliches Drehmoment, wenn die Lage mehr und mehr zu dem vordersten Ende jedes Arm­ glieds hin verlagert wird, während am Basisende des Armglieds ein großer Drehmomentwert erforderlich ist. Bei einem Manipu­ lator, der eine beliebige Position und Stellung mit sechs oder mehr Freiheitsgraden einnehmen kann, unterscheidet sich der Freiheitsgrad des Armglieds stark vom Freiheitsgrad eines Handgelenkabschnitts, welcher die Stellung eines Endwirkteils am vordersten Ende des Armglieds bezüglich eines geforderten Drehmomentwerts bestimmt.However, since a Ka belbaum extends in the main body of the manipulator to the to be able to supply respective waves with electrical power and To transmit signals over the waves, it is not easy damaged or broken components due to new parts replace and the way of determining the number of Change degrees of freedom. Generally speaking, is a ge flexible manipulator in the form of a cantilevered beam  educated. For this reason, one for each Ge is reduced steering section in the manipulator required torque, if the location more and more towards the foremost end of each arm limb is shifted while at the base end of the arm limb a large torque value is required. With a manipu lator of any position and position with six or more degrees of freedom differs the degree of freedom of the arm limb strongly from the degree of freedom of an Wrist section, which is the position of an end active part at the foremost end of the arm link with respect to a required one Torque value determined.

Bei dem bekannten Manipulator mit dem oben erläuterten Aufbau, vergrößert sich die Stärke eines Lastmoments, wenn ein Gelenkabschnitt in der Nähe des Basisendes des Armglieds angeordnet wird. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Lei­ stungsfähigkeit eines Antriebssystems für den Gelenkabschnitt selektiv in Abhängigkeit von der Lage des Gelenkabschnitts festzulegen. Wenn also jeder Gelenkabschnitt in Form eines Moduls ausgebildet wird, läßt sich ein Ändern des gegenwärti­ gen Freiheitsgrads zu einem anderen Wert nur innerhalb sehr enger Grenzen erreichen.In the known manipulator with that explained above Construction, the strength of a load torque increases when a hinge portion near the base end of the arm link is arranged. Because of this, it is necessary to take the lei Stability of a drive system for the joint section selectively depending on the position of the joint section to be determined. So if each joint section in the form of a Module is formed, can change the current degree of freedom to another value only within very reach narrow limits.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Gelenkmodul für einen fernbetätigbaren Manipulator anzugeben, welches si­ cherstellt, daß sich ein Gelenkmechanismus einfach mit Hilfe einer Fernbetätigung durch einen anderen austauschen läßt, wobei darüberhinaus sich auf Wunsch auch der derzeitige Frei­ heitsgrad ändern läßt.The invention is based on the problem of an articulated module for a remotely operated manipulator to specify which si ensures that a hinge mechanism is easy to use a remote control can be replaced by another, the current vacancy is also available on request degree of change.

Außerdem soll durch die Erfindung ein fernbetätigbarer Mani­ pulator geschaffen werden, der aus einem einzelnen Typ von Gelenkmodulen aufgebaut ist und sicherstellt, daß eine ruck­ freie und zuverlässige Betätigung erfolgen kann.In addition, the invention is intended to be a remotely operable mani pulator can be created from a single type of Joint modules is constructed and ensures that a jerk free and reliable operation can take place.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen angege­ bene Erfindung.This task is solved by the specified in the claims bene invention.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are described below the drawing explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Vertikal-Schnittansicht eines Gelenkmoduls nach einer Ausführungsform der Erfindung, wobei speziell der Aufbau wesentlicher Bauelemente des Gelenkmoduls dargestellt ist; Figure 1 is a vertical sectional view of a joint module according to an embodiment of the invention, the structure of essential components of the joint module is shown.

Fig. 2a eine Teil-Draufsicht auf das Gelenkmodul, wobei spe­ ziell ein Verriegelungsmechanismus für das Gelenkmo­ dul dargestellt ist; Fig. 2a is a partial plan view of the joint module, spe cially a locking mechanism for the articulated module is shown;

Fig. 2b eine Draufsicht auf das Gelenkmodul mit besonderer Darstellung eines Verbinderabschnitts des Gelenkmo­ duls; Fig. 2b is a plan view of the joint module with a special representation of a connector portion of the joint module;

Fig. 3 eine Verdrahtungsplan, der den Aufbau eines Kabelbaums in dem Gelenkmodul veranschaulicht; Fig. 3 is a wiring diagram illustrating the construction of a wire harness in the hinge module;

Fig. 4 eine Vorderansicht eines Teils eines fernbetätigbaren Manipulators, der durch mehrere Gelenkmodulen jeweils der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art aufgebaut ist, wobei besonders der Aufbau eines fingerförmigen Vor­ derabschnitts des fernbetätigbaren Manipulators her­ vorgehoben ist; Fig. 4 is a front view of part of a remotely operable manipulator, which is constructed by a plurality of articulated modules each of the type shown in Figures 1 and 2, wherein in particular the structure of a finger-shaped front section of the remotely operable manipulator is emphasized;

Fig. 5a eine Vorderansicht des fernbetätigbaren Manipulators, wobei speziell der Gesamtaufbau des Manipulators ge­ zeigt ist, . 5a is a front view of the remote-controlled manipulator, which especially the overall structure of the manipulator shows ge Figure,

Fig. 5b eine Draufsicht auf den fernbetätigbaren Manipulator; FIG. 5b is a plan view of the remote-controlled manipulator;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des fernbetätigbaren Ma­ nipulators mit besonderer Darstellung von dessen sechs Freiheitsgraden; und Fig. 6 is a perspective view of the remotely operable Ma nipulator with a special representation of its six degrees of freedom; and

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Steuereinheit für den fernbe­ tätigbaren Manipulator. Fig. 7 is a block diagram of a control unit for the remote manipulator.

Fig. 1 ist eine Vertikal-Schnittansicht eines Gelenkmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2a ist eine Teil-Draufsicht auf einen Verriegelungsmechanismus für das Gelenkmodul nach Fig. 1, und Fig. 2b ist eine Draufsicht auf einen Verbinderabschnitt des Gelenkmoduls nach Fig. 1. Fig. 1 is a vertical sectional view of a hinge module according to an embodiment of the invention. FIG. 2a is a partial plan view of a locking mechanism for the hinge module shown in FIG. 1, and Fig. 2b is a plan view of a connector section of the hinge module shown in FIG. 1.

Gemäß Fig. 1 ist ein Antriebsmotor 2 zum Antreiben eines Ge­ lenkmoduls 1 fest an einem ortsfesten Gehäuse 3 gelagert. Eine Bremse 2A ist in dem Antriebsmotor 2 eingebaut, und auf einer Ausgangswelle 2B des Antriebsmotors 2 befindet sich eine Kegelrad 5B, welches mit einem Kegelrad 5A kämmt, wel­ ches fest auf einer Eingangswelle 4A einer harmonischen Dreh­ zahluntersetzungeinheit 4 montiert ist. Die Eingangswelle 4A der Untersetzungseinheit 4 ist mittels eines Lagers 7 auf ei­ ner hohlen Achse 6 (Hohlwelle) gelagert, die fest am orts­ festen Gehäuse 3 angebracht ist. Eine Eingangswelle 8A eines Absolutwert-Positionsdetektors 8 ist am vordersten Ende der hohlen Achse 6 angebracht.Referring to FIG. 1, a drive motor 2 is mounted steering module 1 for driving a Ge fixed to a stationary housing 3. A brake 2 A is installed in the drive motor 2 , and on an output shaft 2 B of the drive motor 2 there is a bevel gear 5 B which meshes with a bevel gear 5 A, which is fixedly mounted on an input shaft 4 A of a harmonic speed reduction unit 4 . The input shaft 4 A of the reduction unit 4 is mounted by means of a bearing 7 on egg ner hollow axis 6 (hollow shaft) which is fixedly attached to the fixed housing 3 . An input shaft 8 A of an absolute position detector 8 is attached to the foremost end of the hollow axis 6 .

Eine in einem Winkel von 45° bezüglich einer Drehachse X des Gelenkmoduls 1 geneigte Gelenkfläche 3A ist an dem oberen Ende des ortsfesten Gehäuses 3 ausgebildet, während sich im Mittelteil der Gelenkfläche 3A ein steckerseitiger Verbinder 9 befindet. Das obere Ende eines Kabelbaums 10 ist an den Steckverbinder 9 angeschlossen. Der Kabelbaum 10 verläuft durch die hohlen Achse 6 und erreicht ein Kabelgehäuse 12, welches derart an einem beweglichen Gehäuse 11 angebracht ist, daß der untere Endabschnitt des Kabelbaums 10 in dem Ka­ belgehäuse 12 aufgenommen ist, wobei es sich spiralförmig in das Kabelgehäuse 12 erstreckt.A joint surface 3 A inclined at an angle of 45 ° with respect to an axis of rotation X of the joint module 1 is formed at the upper end of the fixed housing 3 , while a connector 9 on the plug side is located in the central part of the joint surface 3 A. The upper end of a wire harness 10 is connected to the connector 9 . The wiring harness 10 extends through the hollow axis 6 and reaches a cable housing 12 which is so attached to a movable housing 11 that the lower end portion of the wire harness 10 belgehäuse in the Ka 12 is received, which is spirally extended in the cable housing 12th

Eine in einem Winkel von 45° bezüglich der Drehachse X des Gelenkmoduls 1 geneigte Gelenkfläche 11A ist an dem unteren Ende des beweglichen Gehäuses 11 ausgebildet, und im Mittel­ teil der Gelenkfläche 11A ist über ein Lager 13 ein buchsen­ seitiger Steckverbinder 16 drehbar gelagert. Dem buchsensei­ tigen Verbinder 16 ist ein Schnellstoppmechanismus zugeord­ net, der aus Federn 14 und Kugeln 15 besteht, wobei letztere von den Federn 14 vorgespannt werden. Das untere Ende des Ka­ belbaums 10 erstreckt sich von dem Kabelgehäuse 12 aus und ist mit dem buchsenseitigen Steckverbinder 16 verbunden.A joint surface 11 A inclined at an angle of 45 ° with respect to the axis of rotation X of the joint module 1 is formed at the lower end of the movable housing 11 , and in the middle part of the joint surface 11 A, a socket-side connector 16 is rotatably supported via a bearing 13 . The buchsensei term connector 16 is a quick stop mechanism zugeord net, which consists of springs 14 and balls 15 , the latter being biased by the springs 14 . The lower end of the cable harness 10 extends from the cable housing 12 and is connected to the plug connector 16 .

Symmetrisch bezüglich der Mitte des buchsenseitigen Steckver­ binders 16 sind mehrere konische Lokalisierstifte 17 angeord­ net, die aufrecht auf der Gelenkfläche 11A stehen und mit dieser einen rechten Winkel bilden. Ein Verriegelungsmecha­ nismus 18 arbeitet mit den Lokalisierstiften 17 zusammen und ist um die Gelenkfläche 11A herum angeordnet. Andererseits ist ein Verriegelungsmechanismus 18′ an der Gelenkfläche 3A angeordnet und entspricht dem Verriegelungsmechanismus 18. Beide Verriegelungsmechanismen 18 und 18′ sind in der im fol­ genden beschriebenen Weise ausgebildet.Symmetrically with respect to the center of the socket-side connector 16 , a plurality of conical locating pins 17 are arranged which stand upright on the articular surface 11 A and form a right angle therewith. A Verriegelungsmecha mechanism 18 operates in conjunction with the locator pins 17 and the joint surface 11 A arranged around. On the other hand, a locking mechanism 18 'is arranged on the hinge surface 3 A and corresponds to the locking mechanism 18th Both locking mechanisms 18 and 18 'are formed in the manner described in the fol lowing.

Wie speziell in Fig. 2 gezeigt ist, enthält der Verriege­ lungsmechanismus 18 mehrere Vorsprünge 20, die in gleichmäßi­ gen Abständen über den Umfang der Gelenkfläche 11A verteilt sind und konische Flächen aufweisen, die sich nicht nur in radialer, sondern auch in Umfangsrichtung erstrecken. Ein Ring 23 besitzt nicht nur mehrere V-förmige Nuten 21, die es ermöglichen, daß die Vorsprünge 20 in enge Berührung mit den V-förmigen Nuten 21 gelangen, sondern besitzt auch mehrere Ausschnitte 22, die in derselben gleichmäßig beabstandeten Lagebeziehung wie die Vorsprünge 20 ausgebildet sind, so daß die Vorsprünge 20 in die Ausschnitte 22 passen.As specifically shown in Fig. 2, the INTERLOCKS contains development mechanism 18 a plurality of projections 20, the 11 A are distributed in gleichmäßi gen intervals over the periphery of the joint surface and having conical surfaces which extend not only in radial but also in the circumferential direction. A ring 23 not only has a plurality of V-shaped grooves 21 which allow the projections 20 to come into close contact with the V-shaped grooves 21 , but also has a plurality of cutouts 22 which are in the same evenly spaced positional relationship as the projections 20 are formed so that the projections 20 fit into the cutouts 22 .

Andererseits ist der Verriegelungsmechanismus 18′ aus mehre­ ren Vorsprüngen 19 gebildet, die auf der Gelenkfläche 3A der­ art angeordnet sind, daß sie in korrekter Ausrichtung mit den Vorsprüngen 20 stehen, wobei sie die gleiche Form und die gleichen Abmessungen haben wie die jeweiligen Ausschnitte 22. On the other hand, the locking mechanism 18 'is formed from several ren projections 19 which are arranged on the articular surface 3 A of the type that they are in correct alignment with the projections 20 , wherein they have the same shape and the same dimensions as the respective cutouts 22nd .

Zwischen dem beweglichen Gehäuse 11 und dem ortsfesten Ge­ häuse 3 befindet sich ein Kreuz-Wälzlager 3B. Außerdem sind auf der Gelenkfläche 3A des ortsfesten Gehäuses 3 zur Auf­ nahme der Lokalisierstifte 17 Führungslöcher 17A ausgebildet.Between the movable housing 11 and the stationary Ge housing 3 there is a cross roller bearing 3 B. In addition, 17 guide holes 17 A are formed on the hinge surface 3 A of the stationary housing 3 for taking the locating pins.

Fig. 3 zeigt einen Verdrahtungsplan, aus dem der Aufbau des Kabelbaums 10 in dem Gelenkmodul hervorgeht. In der Zeichnung bezeichnen Bezugszeichen P1 bis P5 mehradrige Stromversor­ gungskabel zum Zuführen elektrischer Leistung zu dem An­ triebsmotor 2, um das Gelenkmodul 1 anzutreiben, Bezugszei­ chen S1 bis S5 bezeichnen mehradrige Signalkabel, die an dem Absolutwert-Stellungsgeber 8 angeschlossen sind, und das Be­ zugszeichen B bezeichnet ein doppeladriges Stromversorgungs­ kabel zum Einspeisen von elektrischer Leistung in die in dem Antriebsmotor 2 befindliche Bremse 2A. Der Kabelbaum 10 mit den erwähnten, zusammengebundenen Kabeln wird derart einge­ setzt, daß die entsprechenden Leitungsadern an die Anschlüsse von steckerseitigen Verbindern 9 I bis 9 V und buchsenseitigen Verbindern 16 I bis 16 V, die sich an den Gelenkflächen 3AI bis 3AV und 11AI bis 11AV an den entgegengesetzten Enden der je­ weiligen Gelenkmodulen 1 I bis 1 V befinden, angeschlossen sind. Die jeweiligen Kabel sind lediglich in einem Gelenkmo­ dul 1 n verzweigt, so daß sie an einen Antriebsmotor 2, einen Absolutwert-Stellungsgeber 8 und eine Bremse 2A innerhalb des Gelenkmoduls 1 n angeschlossen sind. Fig. 3 shows a wiring diagram of the construction of the wire harness 10 can be seen in the hinge module. In the drawing, reference character P 1 denote to P 5 multicore power sup ply cable for supplying electric power to the on drive motor 2 to the hinge module 1 to be driven, reference characters S 1 to S 5 denote multicore signal cables that are connected to the absolute value of position sensor 8, and the reference numeral B denotes a two-wire power supply cable for feeding electrical power into the brake 2 A located in the drive motor 2. The wiring harness 10 with the mentioned, tied cables is inserted in such a way that the corresponding line wires are connected to the connections of plug-side connectors 9 I to 9 V and socket connectors 16 I to 16 V , which are located on the articulated surfaces 3 A I to 3 A V and 11 A I to 11 A V at the opposite ends of the respective joint modules 1 I to 1 V. are. The respective cables are only branched in a joint module 1 n , so that they are connected to a drive motor 2 , an absolute position transmitter 8 and a brake 2 A within the joint module 1 n .

Fig. 4 ist eine Vorderansicht eines fingerförmigen Vorder­ teils eines fernbetätigbaren Manipulators gemäß einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung, bei dem mehrere Gelenkmodulen mit dem oben beschriebenen Aufbau zur Bildung des Manipulators verwendet sind. Fig. 5a ist eine Vorderansicht des Manipula­ tors, wobei speziell der Gesamtaufbau des Manipulators darge­ stellt ist. Fig. 5b ist eine Draufsicht auf den Manipulator. Nach Fig. 4 ist ein Gelenkmodul 1 VII mit dem vordersten Ende eines Armglieds 24 so verbunden, daß es sich bezüglich diesem koaxial zu drehen vermag, und anschließend ist ein Gelenkmo­ dul 1 VIII am vordersten Ende des Gelenkmoduls 1 VII derart an­ gebracht, daß es sich um eine Achse zu drehen vermag, die sich rechtwinklig zu dem Armglied 24 erstreckt. Außerdem ist ein mit einem Handteil 25 versehenes Gelenkmodul 1 IX mit dem vordersten Ende des Gelenkmoduls 1 VIII verbunden, so daß es sich um eine Achse drehen kann,die sich rechtwinklig bezüg­ lich des Gelenkmoduls 1 VIII erstreckt. Fig. 4 is a front view of a finger-shaped front part of a remotely operated manipulator according to an embodiment of the invention, in which a plurality of joint modules with the structure described above are used to form the manipulator. Fig. 5a is a front view of the manipulator, specifically the overall structure of the manipulator is Darge. Figure 5b is a top view of the manipulator. According to FIG. 4, a hinge module 1 VII with the foremost end of an arm member 24 is connected such that it is capable with respect thereto to rotate coaxially, and then a Gelenkmo is brought dul 1 VIII at the foremost end of the hinge module 1 VII in such a way that it is capable of rotating about an axis extending perpendicular to the arm member 24 . In addition, a joint module 1 IX provided with a hand part 25 is connected to the foremost end of the joint module 1 VIII , so that it can rotate about an axis which extends at a right angle with respect to the joint module 1 VIII .

Wie in Fig. 5a gezeigt ist, sind Gelenkmodule 1 I und 1 II an die vorderen Enden eines Paares von Basisplattformen 26a und 26b angekoppelt, die fest an einem (nicht gezeigten) Träger angebracht sind, so daß ihre Achsen miteinander ausgerichtet sind und auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Ein Armglied 27 ist fest mit den Gelenkflächen beider Gelenkmoduln 1 I und 1 II an der Ausgangsseite von letzteren befestigt. Wie in Fig. 5B gezeigt ist, sind Gelenkmoduln 1 III und 1 IV mit dem Arm­ glied 27 von beiden Seiten her verbunden, so daß ihre Achsen gegenüber den Achsen der Gelenkmoduln 1 I und 1 II versetzt sind und sich dabei auf einer gemeinsamen Geraden unter einem rechten Winkel gegenüber den Achsen der vorgenannten Moduln erstrecken. An die Gelenkmoduln 1 III und 1 IV sind an deren Ausgangsseite Armglieder 28A und 28B derart angeschlossen, daß sie sich unter rechtem Winkel bezüglich der Achsen der Gelenkmoduln 1 III und 1 IV und parallel zueinander erstrecken.As shown in Fig. 5a, hinge modules 1 I and 1 II are coupled to the front ends of a pair of base platforms 26 a and 26 b, which are fixedly attached to a support (not shown) so that their axes are aligned and lie on a common straight line. An arm member 27 is fixedly attached to the joint surfaces of both joint modules 1 I and 1 II on the output side of the latter. As shown in Fig. 5B, articulated modules 1 III and 1 IV are connected to the arm member 27 from both sides, so that their axes are offset from the axes of the articulated modules 1 I and 1 II and are on a common straight line extend at a right angle to the axes of the aforementioned modules. Arm members 28 A and 28 B are connected to the joint modules 1 III and 1 IV on their output side in such a way that they extend at right angles to the axes of the joint modules 1 III and 1 IV and parallel to one another.

Weiterhin sind an die vordersten Enden der Arme 28A und 28B funktionsmäßig Gelenkmoduln 1 V und 1 VI derart angeschlossen, daß sie sich parallel zu den Gelenkmoduln 1 III und 1 VI er­ strecken, wobei sie letzteren gegenüberliegen und ihre Achsen auf einer gemeinsamen Gerade liegen. Ein aus dem Armglied 24, den Gelenkmodulen 1 VII, 1 VIII und 1 IX und der Handhabe 25 be­ stehender Arm für das Gelenkmodul 1 nach Fig. 4 ist mit den Ausgangsseiten der Gelenkmoduln 1 V und 1 VI am obersten Ende des Armglieds 24 angekoppelt, was den gewünschten fernbetä­ tigbaren Manipulator vervollständigt.Furthermore, functionally articulated modules 1 V and 1 VI are connected to the foremost ends of the arms 28 A and 28 B in such a way that they extend parallel to the articulated modules 1 III and 1 VI , whereby they lie opposite one another and their axes lie on a common straight line . An arm consisting of the arm member 24 , the joint modules 1 VII , 1 VIII and 1 IX and the handle 25 for the joint module 1 according to FIG. 4 is coupled to the output sides of the joint modules 1 V and 1 VI at the uppermost end of the arm member 24 , which completes the desired remote manipulator.

Fig. 6 zeigt in schematischer perspektivischer Ansicht die Freiheitsgrade des oben erläuterten erfindungsgemäßen Manipu­ lators und Fig. 7 zeigt anhand eines Blockdiagramms den Auf­ bau einer Steuereinheit für den Manipulator. Fig. 6 shows a schematic perspective view of the degrees of freedom of the manipulator according to the invention explained above and Fig. 7 shows a block diagram on the construction of a control unit for the manipulator.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des fernbetätigbaren Mani­ pulators gemäß der beschriebenen Ausführungsform der Erfin­ dung unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 erläutert werden.In the following, the operation of the remotely operated manipulator according to the described embodiment of the inven tion will be explained with reference to FIGS . 6 and 7.

Gemäß Fig. 6 besitzt der in oben beschriebener Weise aufge­ baute fernbetätigbare Manipulator folgende sechs Freiheits­ grade:Referring to FIG. 6, the set in the manner described above built remotely operated manipulator following six Liberty has grade:

  • 1) Drehung des Armglieds 27 um eine senkrechte Achse, die durch die Gelenkmodulen 1 I und 1 II definiert wird;1) rotation of the arm member 27 about a vertical axis, which is defined by the joint modules 1 I and 1 II ;
  • 2) Drehung der Armglieder 28A und 28B um Achsen, die durch die Gelenkmoduln 1 III und 1 IV definiert werden und sich rechtwinklig zu der oben erwähnten senkrechten Achse erstrecken, d. h., horizontale Achsen sind.2) Rotation of the arm links 28 A and 28 B about axes which are defined by the joint modules 1 III and 1 IV and which extend at right angles to the above-mentioned vertical axis, ie are horizontal axes.
  • 3) Drehung des Armglieds 24 um eine horizontale Achse, die durch die Gelenkmoduln 1 V und 1 VI definiert wird;3) rotation of the arm link 24 about a horizontal axis defined by the 1 V and 1 VI articulated modules;
  • 4) Schwenkbewegung des Gelenkmoduls 1 VIII in einer horizonta­ len Ebene in Verbindung mit dem Gelenkmodul 1 VII;4) pivoting movement of the joint module 1 VIII in a horizontal plane in connection with the joint module 1 VII ;
  • 5) Drehung des Gelenkmoduls 1 IX um eine Achse rechtwinklig zu dem Armglied 24 im Zusammenwirken mit dem Gelenkmodul 1 VIII;5) rotation of the joint module 1 IX about an axis perpendicular to the arm member 24 in cooperation with the joint module 1 VIII ;
  • 6) Drehung der Handhabe 25 im Verein mit dem Gelenkmodul 1 IX.6) Rotation of the handle 25 in association with the joint module 1 IX .

Auf Grund der oben erwähnten sechs Freiheitsgrade läßt sich die Handhabe 25 in die Zielposition bringen, die sich inner­ halb des zulässigen Wirkungsbereichs der jeweiligen den Mani­ pulator bildenden Bauelemente befindet, so daß ein in dieser Position befindliches Element, ein Teil oder dergleichen frei handhabbar ist. Because of the six degrees of freedom mentioned above, the handle 25 can be brought into the target position, which is within the permissible effective range of the respective components forming the manipulator, so that an element, a part or the like located in this position can be freely handled.

Nach Fig. 7 enthält die Steuereinheit 30 mehrere Regelab­ schnitte SI bis SIX, einen Rechen-Steuer-Abschnitt C zum Be­ stimmen der Geschwindigkeit jedes Gelenkmoduls 1 in Abhängig­ keit einer seitens einer Bedienungsperson vorgenommenen Ein­ gabe, zur Analyse eines Betriebsprogramms, zur Koordinatenum­ wandlung/Berechnung oder Ausgabe von Positionserfassungssi­ gnalen POSI bis POSIX, geliefert von dem Gelenkmodul 1, und darüberhinaus zur sequentiellen Ausgabe von Geschwindigkeits­ befehlen VrefI bis VrefIX an die Regelabschnitte SI bis SIX, eine Schnittstelle Mensch-Maschine MMI mit einem Joystick J und eine Tastatur K für die Eingabe eines Betätigungssignals COM, welches die Bedienungsperson in den Rechen-Steuer-Ab­ schnitt C eingibt, und einen Speicherabschnitt M, in welchem ein Betriebsprogramm und andere Daten gespeichert sind.According to Fig. 7 30 includes the control unit several Regelab sections S I to S IX, a rake control section C for loading the speed agree each hinge module 1 in Depending ness of a one made by an operator display, for analyzing an operation program to Koordinatenum Conversion / calculation or output of position detection signals POS I to POS IX , supplied by the joint module 1 , and furthermore for the sequential output of speeds, commands Vref I to Vref IX to the control sections S I to S IX , an interface man-machine MMI with one Joystick J and a keyboard K for inputting an actuation signal COM, which the operator enters into the arithmetic control section C, and a memory section M, in which an operating program and other data are stored.

Sämtliche Koordinatenumwandlungs/Rechenprogramme D1 bis DN, die sich auf die Festlegung eines durch Datenaustausch er­ zielbaren Freiheitsgrades beziehen, sind in dem Speicherab­ schnitt M abgespeichert. Der Rechen-Steuerabschnitt C enthält eine Prozedur zum Berechnen von Geschwindigkeitsbefehlen VrefI bis VrefVI für jedes Gelenkmodul 1, eine Prozedur zum Berechnen der Bewegung jedes Gelenkmoduls 1 auf der Grundlage von Positionsinformation, die von einem Programm als eine un­ abhängige Achse spezifiziert wird, oder eine Zielposition, die seitens der Bedienungsperson abhängig von den Gelenkmo­ dul-Positionserfassungssignalen POSI bis POSIX vorgegeben wird, und eine Funktion zum Ändern der gegenwärtigen Steuer­ schleife in eine andere, um einem Positionserfassungssignal POSI eines speziellen Gelenkmoduls 1 I zu folgen, d. h. eine Funktion zum Ausgeben eines Geschwindigkeitsbefehls VrefII eines speziellen Gelenkmoduls 1 II an einen Regelabschnitt SII des Gelenkmoduls 1 II als einen Wert, der im Verhältnis steht zu einer Differenz zwischen einem Positionserfassungssignal POSII des Gelenkmoduls 1 II und dem Positionserfassungssignal POSI des Gelenkmoduls 1 I. All coordinate conversion / calculation programs D1 to DN, which relate to the definition of a degree of freedom that can be achieved by data exchange, are stored in the memory section M. The arithmetic control section C includes a procedure for calculating speed commands Vref I to Vref VI for each joint module 1 , a procedure for calculating the movement of each joint module 1 based on position information specified by a program as an independent axis, or a target position which is specified by the operator depending on the articulated module position detection signals POS I to POS IX , and a function for changing the current control loop into another in order to follow a position detection signal POS I of a special articulated module 1 I , ie one Function for outputting a speed command Vref II of a special joint module 1 II to a control section S II of the joint module 1 II as a value which is related to a difference between a position detection signal POS II of the joint module 1 II and the position detection signal POS I of the joint module 1 I .

Im folgenden werden Funktionen und vorteilhafte Wirkungen des gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung aufgebauten fern­ betätigbaren Manipulators erläutert.In the following, functions and advantageous effects of the remotely constructed according to this embodiment of the invention actuatable manipulator explained.

Wenn der Antriebsmotor 2 in dem Gelenkmodul 1 angetrieben wird, dreht sich das bewegliche Gehäuse 1 über die Kegelräder 5A und 5B und die Drehzahluntersetzungseinheit 4. Zu dieser Zeit wird der Drehwinkel des beweglichen Gehäuses 11 durch den Absolutwert-Positionsdetektor 8, der an der hohlen Achse 6 befestigt ist, erfaßt. Der mit dem steckerseitigen Steck­ verbinder 9 auf der Gelenkfläche 3A der ortsfesten Gehäuses 1 verbundene Kabelbaum ermöglicht eine Drehung des beweglichen Gehäuses 11 durch Ändern seines Windungsdurchmessers inner­ halb des Kabelgehäuses 12, in welchem er spiralförmig aufge­ nommen ist. Es wird hier angenommen, daß der Kabelbaum 10 eine gewünschte Anzahl von Stromversorgungskabelleitern und eine gewünschte Anzahl von Signalleitern enthält, entspre­ chend einer gewünschten Anzahl von Gelenkmodulen 1, die einen fernbetätigbaren Manipulator mit einer gewünschten Anzahl von Freiheitsgraden bilden. Beispielsweise enthält der in Fig. 6 gezeigte fernbetätigte Manipulator mit sechs Freiheitsgraden neun Gelenkmodule 1 I bis 1 IX, so daß der Kabelbaum 10 eine Anzahl von Leiteradern aufweist, deren Anzahl mit der Anzahl von Gelenkmodulen übereinstimmt.When the drive motor 2 is driven in the joint module 1 , the movable housing 1 rotates via the bevel gears 5 A and 5 B and the speed reduction unit 4 . At this time, the rotation angle of the movable case 11 is detected by the absolute position detector 8 attached to the hollow axis 6 . The with the plug-side connector 9 on the hinge surface 3 A of the fixed housing 1 connected wiring harness allows rotation of the movable housing 11 by changing its winding diameter within half of the cable housing 12 , in which it is taken up spirally. It is assumed here that the wiring harness 10 contains a desired number of power supply cable conductors and a desired number of signal conductors, accordingly a desired number of articulated modules 1 , which form a remotely operable manipulator with a desired number of degrees of freedom. For example, the remote-controlled manipulator shown in FIG. 6 with six degrees of freedom contains nine joint modules 1 I to 1 IX , so that the cable harness 10 has a number of conductor wires, the number of which corresponds to the number of joint modules.

Das Verbinden der Gelenkmodulen 1 erfolgt sukzessive, begin­ nend an dem Basisende und in Übereinstimmung mit der Festle­ gung der gewünschten Freiheitsgrade. In der Zone mit einem Freiheitsgrad bezüglich koaxialer Drehung werden die Orien­ tierung der Drehachse des Gelenkmoduls 1 und die Orientierung der Gelenkfläche 3A mit einem Neigungswinkel von 45° derart bestimmt, daß die Achse des Gelenkmoduls 1 in der vorausge­ henden Stufe oder dem Armglied 24 geradlinig ausgerichtet mit der Drehachse ist, und anschließend werden die Lokalisier­ stifte 17 in Eingriff mit den Führungslöchern 17A gebracht, so daß beide Gelenkmodule miteinander über die Verriegelungs­ mechanismen 18 und 18′ verbunden sind. Genauer gesagt: eine Phase jedes Ausschnitts 22 an dem Ring 23, getragen von den Vorsprüngen 20 entlang dem Umfang der Gelenkfläche 11A des beweglichen Gehäuses 11 des Gelenkmoduls 1 der vorhergehenden Stufe, wird in der erforderlichen Weise so ausgerichtet, daß die Vorsprünge 19 am Außenumfang der Gelenkfläche 3A des ortsfesten Gehäuses 3 mit den Ausschnitten 22 am Ring 23 in Eingriff treten können, und anschließend wird der Ring 23 um eine viertel Drehung verdreht, so daß die Vorsprünge 20 an dem Gelenkmodul der vorausgehenden Stufe in Druckkontakt mit den Vorsprüngen 19 an dem Gelenkmodul der anschließenden Stufe treten können, und zwar mit Hilfe der V-förmigen Nuten 21 am Innenumfang des Rings 23, wodurch beide Gelenkmodule miteinander fixiert werden. Zu dieser Zeit wird der stecker­ seitige Verbinder 9 des Gelenkmoduls in der nachfolgenden Stufe in den buchsenseitigen Verbinder 16 des Gelenkmoduls in der vorausgehenden Stufe eingesetzt, wodurch die notwendige elektrische Verbindung zwischen beiden Gelenkmodulen geschaf­ fen wird.The joint modules 1 are connected successively, starting at the base end and in accordance with the definition of the desired degrees of freedom. In the zone with a degree of freedom with respect to coaxial rotation, the orientation of the axis of rotation of the joint module 1 and the orientation of the joint surface 3 A with an inclination angle of 45 ° are determined such that the axis of the joint module 1 in the preceding stage or the arm member 24 is straight is aligned with the axis of rotation, and then the locating pins 17 are brought into engagement with the guide holes 17 A, so that both joint modules are connected to each other via the locking mechanisms 18 and 18 '. More specifically, a phase of each cutout 22 on the ring 23, supported by the projections 20 along the periphery of the joint surface 11 A of the movable housing 11 of the hinge module 1 of the previous stage, is aligned in the required manner so that the projections 19 on the outer periphery the hinge surface 3 A of the fixed housing 3 can engage with the cutouts 22 on the ring 23 , and then the ring 23 is rotated by a quarter turn, so that the projections 20 on the hinge module of the previous stage in pressure contact with the projections 19 the joint module of the subsequent stage can, with the help of the V-shaped grooves 21 on the inner circumference of the ring 23 , whereby both joint modules are fixed together. At this time, the connector-side connector 9 of the joint module in the subsequent stage is inserted into the socket-side connector 16 of the joint module in the previous stage, whereby the necessary electrical connection between the two joint modules is created.

Um in richtiger Weise einen Freiheitsgrad bezüglich der Dre­ hung um die sich rechtwinklig zu dem Gelenkmodul 1 der vor­ ausgehenden Stufe oder dem Armglied 24 erstreckende Achse festzulegen, wird eine Art Lehre in den buchsenseitigen Ver­ binder 16 eingesetzt, der von einem Lager 13 auf der Gelenk­ fläche 11A des beweglichen Gehäuses 11 des Gelenkmoduls 1 der vorausgehenden Stufe 1 oder dem Armglied 24 gelagert ist, und die Lehre wird anschließend um einen Winkel von 180° gedreht. Zu dieser Zeit wird der buchsenseitige Verbinder 16 durch die von den Federn 14 vorgespannten Kugeln 15 in einer Orientie­ rung gehalten, die nach Beendigung der Drehung eingenommen wird. Auf diese Weise werden sämtliche benachbarten Gelenk­ flächen derart miteinander verbunden, daß die Drehachsen bei der Gelenkmodulen einander unter rechtem Winkel schneiden, und anschließend werden beide Gelenkmoduln mit Hilfe des Ver­ riegelungsmechanismus 18 in der oben erwähnten Weise mitein­ ander fixiert. Wenn das Armglied 24 mit dem gleichen Verbin­ der-Lagermechanismus ausgestattet ist, wie er oben erläutert wurde, lassen sich benachbarte Gelenkmodule in genau dersel­ ben Weise wie die benachbarten Gelenkmodule 1 verbinden.To properly define a degree of freedom with respect to the rotation around the axis extending perpendicular to the joint module 1 of the outgoing step or the arm member 24 , a type of teaching is used in the socket-side connector 16 , which is supported by a bearing 13 on the joint surface 11 A of the movable housing 11 of the joint module 1 of the preceding stage 1 or the arm member 24 is mounted, and the gauge is then rotated through an angle of 180 °. At this time, the socket-side connector 16 is held by the balls 15 biased by the springs 14 in an orientation that is taken after completion of the rotation. In this way, all adjacent joint surfaces are connected to each other in such a way that the axes of rotation in the joint modules intersect each other at a right angle, and then both joint modules are locked together using the locking mechanism 18 in the manner mentioned above. If the arm member 24 is equipped with the same connector mechanism as described above, adjacent joint modules can be connected in exactly the same way as the adjacent joint modules 1 .

In der erläuterten Weise läßt sich der in Fig. 5a und 5b und 6 dargestellte gelenkige Manipulator aufbauen, indem man suk­ zessive ein Gelenkmodul 1 und ein Armglied 24 miteinander verbindet und diese Teile in geeigneter Weise derart aus­ wählt, daß ihre Achsen koaxial verlaufen oder sie einen Frei­ heitsgrad haben, der es ihnen gestattet, sich rechtwinklig zu dem anderen Teil zu erstrecken. Da miteinander über Leitungs­ adern des Kabelbaums 10 in dem Manipulator zu verbindende Ge­ lenkmodule ungeachtet der Reihenfolge ihrer Verbindung unge­ ändert bleiben, und darüberhinaus der Regelabschnitt S in der Steuereinheit 20 jedem der Gelenkmodulen in einer Eins-zu- Eins-Beziehung entspricht, besteht nicht nur keine Notwendig­ keit zum Ändern eines Freiheitsgrads auf einen anderen Wert, sondern auch nicht zum Ändern einer für jedes Gelenkmodul speziellen Servo- bzw. Regelkonstanten, wenn die derzeitige Kombination von Gelenkmodulen mit Armgliedern in eine andere Kombination geändert wird.In the manner explained, the articulated manipulator shown in FIGS . 5a and 5b and 6 can be built up by successively connecting an articulated module 1 and an arm member 24 to one another and selecting these parts in a suitable manner such that their axes run coaxially or they have a degree of freedom that allows them to extend perpendicular to the other part. Since joint modules to be connected to one another via line wires of the cable harness 10 in the manipulator remain unchanged regardless of the order in which they are connected, and moreover the control section S in the control unit 20 corresponds to each of the joint modules in a one-to-one relationship, not only no need to change a degree of freedom to another value, but also not to change a servo or control constant specific to each joint module if the current combination of joint modules with arm links is changed to another combination.

Wie in den Fig. 5a und 5b gezeigt ist, läßt sich im Hinblick auf das am Basisende jedes Armglieds gelegene Gelenkmodul während der Aufnahme eines hohen Lastmoments der gesamte Arm bei weitem Spielraum für ein hohes Lastmoment dadurch antrei­ ben, daß man Gelenkmodule parallel zueinander anordnet und dann deren Antriebsmotoren synchron antreibt. Dort, wo ein geringes Lastmoment aufgenommen wird, beispielsweise in einer Handgelenk-Welle, läßt sich die gewünschte Bewegung dadurch erreichen, daß man lediglich ein Gelenkmodul in dem vorausge­ henden Bereich anordnet. Da entsprechend der Stärke des Last­ moments ein oder zwei Gelenkmodule eingesetzt werden, läßt sich, wie oben erläutert wurde, ein gelenkiger Manipulator unter Verwendung nur einer Art von Gelenkmodulen aufbauen.As shown in FIGS. 5a and 5b, with regard to the articulated module located at the base end of each arm link, the entire arm can be driven with a wide margin for a high load torque during the recording of a high load torque by arranging articulated modules parallel to one another and then drives their drive motors synchronously. Where a low load torque is absorbed, for example in a wrist shaft, the desired movement can be achieved by arranging only one joint module in the preceding area. Since one or two joint modules are used in accordance with the strength of the last moment, an articulated manipulator can be constructed using only one type of joint module, as explained above.

Wenn das vorliegenden Koordinatenumwandlungsprogramm D bei Erhalt einer Eingabe von der Schnittstelle "Mensch/Maschine" MMI in der Steuereinheit 30 geändert wird, was einem Aus­ tausch des derzeitigen Freiheitsgrads durch einen anderen entspricht, läßt sich der Manipulator rasch in den Be­ triebszustand bringen. Wenn die Gelenkmodule 1 I·1 II, 1 III·1 IV und 1 V·1 VI am Basisende jedes Armglieds in paralleler Anord­ nung zueinander angeordnet sind, so ändert die Steuereinheit 30 den vorhandenen Aufbau jeder Regelschleife bei Erhalt ei­ ner Eingangsgröße von der Schnittstelle MMI in einen anderen Aufbau, so daß eines der Gelenkmoduln 1 I und 1 II der in par­ alleler Anordnung befindlichen Moduln, beispielsweise das Ge­ lenkmodul 1 I als Haupt-Gelenkmodul dient, während das andere Modul, also beim vorliegenden Beispiels dann das Gelenkmodul 1 II, als Hilfs-Gelenkmodul arbeitet. Bei diesem Aufbau wird der Geschwindigkeitsbefehl Vref1, der auf der Basis der von dem Programm eingestellten Positionsinformation oder der von der Bedienungsperson eingegebenen Zielinformation ansprechend auf das von dem Gelenkmodul ausgegebene Positionserfassungs­ signal POS1 errechnet wird, so, wie es ist, zu dem Regelab­ schnitt SI, der dem Gelenkmodul 1 I entspricht, ausgegeben. Andererseits wird der Geschwindigkeitsbefehl VrefII propor­ tional zu einem Wert an den dem als Hilfsmodul dienenden Ge­ lenkmodul 1 II entsprechenden Regelabschnitt SII ausgegeben, wobei der Wert erhalten wird, indem man ein Positionserfas­ sungssignal POSII des Gelenkmoduls 1 II subtrahiert von dem Positionserfassungssignal POSI des Gelenkmoduls 1 I. Auf diese Weise besitzen die Gelenkmodule 1 I und 1 II sowie andere Mo­ dule jeweils einen gemeinsamen Freiheitsgrad und können ange­ trieben werden, indem sie korrekt mit einer kleinen Phasen­ differenz zwischen ihnen abgestimmt werden.If the present coordinate conversion program D is changed upon receipt of an input from the "man / machine" interface MMI in the control unit 30 , which corresponds to an exchange of the current degree of freedom by another, the manipulator can be brought quickly into the operating state. If the articulated modules 1 I · 1 II , 1 III · 1 IV and 1 V · 1 VI are arranged in parallel at the base end of each arm link, the control unit 30 changes the existing structure of each control loop upon receipt of an input variable from the interface MMI in a different structure, so that one of the joint modules 1 I and 1 II of the modules in parallel arrangement, for example the Ge joint module 1 I, serves as the main joint module, while the other module, that is to say the joint module 1 II in the present example , works as an auxiliary joint module. With this structure, the speed command Vref 1 , which is calculated on the basis of the position information set by the program or the target information entered by the operator in response to the position detection signal POS 1 output from the joint module, is cut to the rule section as it is S I , which corresponds to the joint module 1 I , is output. On the other hand, the speed command Vref is II propor tional to a value at which serves as auxiliary module Ge steering module 1 II corresponding control section S II issued, the value being obtained by a Positionserfas sungssignal POS II of the hinge module 1 II subtracted from the position detection signal POS I of the joint module 1 I. In this way, the joint modules 1 I and 1 II and other modules each have a common degree of freedom and can be driven by being correctly coordinated with a small phase difference between them.

Bei dem fernbetätigten Manipulator gemäß der erläuterten Aus­ führungsform der Erfindung lassen sich folgende vorteilhafte Wirkungen erzielen:In the remote manipulator according to the explained Aus The following advantageous embodiment of the invention Achieve effects:

  • 1) Es werden Gelenkflächen eines Gelenkmoduls mit einem An­ triebsmotor und einem Positionsdetektor in Form von geneigten Flächen mit einem Neigungswinkel von 45° bezüglich einer Drehachse des Gelenkmoduls gefertigt, und diese Moduln lassen sich über Verriegelungsmechanismen miteinander verbinden und voneinander lösen. Wenn also eines der Gelenkmodulen aus ir­ gend einem Grund während der Fernbetätigung nicht ordnungsge­ mäß arbeitet, läßt es sich einfach durch ein anderes Modul austauschen. Weiterhin läßt sich der derzeitige Freiheitsgrad zu einem anderen Wert bei Wunsch ändern, indem man die der­ zeitige Anordnung von Gelenkmodulen und Armgliedern zu einer anderen Anordnung ändert.1) There are articular surfaces of a joint module with an An drive motor and a position detector in the form of inclined Surfaces with an inclination angle of 45 ° with respect to a  Axis of rotation of the joint module manufactured, and leave these modules connect with each other via locking mechanisms and separate from each other. So if one of the joint modules from ir due to a reason during remote operation works properly, it can be easily changed by another module change. Furthermore, the current degree of freedom change to another value if desired by changing the the timely arrangement of joint modules and arm links to one other arrangement changes.
  • 2) Jedes Gelenkmodul enthält einen Kabelbaum, der aus mehre­ ren Signalübertragungsleitern und mehreren Stromversorungs­ leitern besteht, deren Anzahl jeweils mit der Anzahl von Ge­ lenkmoduln übereinstimmt, die an das betrachtete Modul anzu­ schließen sind. Damit läßt sich ein Manipulator in einfacher Weise dadurch betriebsbereit machen, daß man das gegebene Ge­ lenkmodul mit einem anderen Gelenkmodul oder Armglied verbin­ det. Da der Kabelbaum in dem Gelenkmodul mehrere Übertra­ gungskanäle aufweist, die einer Eins-zu-Eins-Entsprechung be­ züglich der anderen Gelenkmodulen genügen, wird beispiels­ weise ein Regelabschnitt in der Steuereinheit stets richtig den Übertragungskanälen zugeordnet, ohne daß die Notwendig­ keit besteht, eine Regelkonstante oder dergleichen einzustel­ len.2) Each joint module contains a wiring harness that consists of several ren signal transmission conductors and several power supply conductors, the number of each with the number of Ge steering modules agrees to be attached to the module under consideration are close. This makes a manipulator easier Make it operational by using the given Ge steering module with another joint module or arm link det. Since the cable harness in the joint module has several transmissions supply channels that be a one-to-one correspondence with regard to the other joint modules will suffice, for example a control section in the control unit is always correct assigned to the transmission channels without the necessity speed exists to set a control constant or the like len.
  • 3) Es sind mehrere Gelenkmodule an einem Basisende jedes Arm­ glieds parallel angeordnet, um starke Lastmomente bewältigen zu können. Damit läßt sich unter Verwendung lediglich einer Art von Gelenkmodulen ein gelenkiger Manipulator aufbauen, der nicht nur Gelenke mit jeweils einem darauf einwirkenden großen Lastmoment aufweist, sondern außerdem auch Gelenke, auf die jeweils nur ein kleines Lastmoment ausgeübt wird. Sind zwei Gelenkmodule in paralleler Lage angeordnet, so dient eines von ihnen als Hauptgelenkmodul und das andere als Hilfsgelenkmodul. In diesem Fall wird eine Regelschleife in­ nerhalb der Steuereinheit derart abgeändert, daß das Hilfsge­ lenkmodul dem Hauptgelenkmodul folgt. Damit lassen sich beide Gelenkmoduln synchron mit einer geringen Phasendifferenz zwi­ schen ihnen antreiben.3) There are multiple hinge modules at a base end of each arm links arranged in parallel to cope with strong load moments to be able to. So you can use only one Type of articulated modules to build an articulated manipulator, not just joints with one acting on them has a large load moment, but also joints, to which only a small load moment is exerted. If two joint modules are arranged in a parallel position, so one of them serves as the main joint module and the other as Auxiliary joint module. In this case, a control loop is created in modified within the control unit so that the auxiliary ge steering module follows the main joint module. With that you can both  Joint modules synchronously with a small phase difference between drive them.

Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel ist der Positi­ onsdetektor als Typ für eine Einzelumdrehung ausgebildet und befindet sich in dem beweglichen Gehäuse, um in operativer Zuordnung zur hohlen Achse, die zusammen mit dem ortsfesten Gehäuse drehbar ist, einen Drehwinkel zu erfassen. Alternativ kann auch anstelle des eine Umdrehung machenden Positionsde­ tektors ein Positionsdetektor für mehrere Umdrehungen einge­ setzt werden. In diesem Fall befindet sich ein solcher, meh­ rere Umdrehungen vollziehender Positionsdetektor in dem ortsfesten Gehäuse, um die Drehung der Eingangswelle einer Drehzahluntersetzungseinheit zu erfassen.In the exemplary embodiment explained above, the positi onsdetektor designed as a type for a single revolution and is in the movable housing to be operational Assignment to the hollow axis together with the fixed one Housing is rotatable to detect an angle of rotation. Alternatively can also be used instead of the position end that makes a revolution tectors a position detector for several revolutions be set. In this case there is one, meh position detector in the fixed housing to the rotation of an input shaft To detect speed reduction unit.

Claims (6)

1. Gelenkmodul für einen fernbetätigbaren Manipulator, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkmodul ein ortsfestes Gehäuse (3) mit einem daran befestigten An­ triebsmotor (2), ein drehbar an dem ortsfesten Gehäuse gela­ gertes bewegliches Gehäuse (11), welches von dem Antriebsmo­ tor drehbar ist, und einen zum Erfassen des Drehwinkels des beweglichen Gehäuses (11) dienenden Positionsdetektor (8) aufweist,
das ortsfeste Gehäuse (3) und das bewegliche Gehäuse (11) um 45° gegenüber einer drehend angetriebenen Welle (4A, 6) geneigte Gelenkflächen (3A, 11A) aufweisen, und
an den Gelenkflächen (3A, 11A) Verriegelungsmechanismen (18,, 18), zum lösbaren Verbinden mit Gelenkmechanismen oder Armgliedern in vorausgehenden und nachfolgenden Stufen, und elektrische Verbinder (9, 16), zum Anschließen an elektrische Verbinder der vorausgehenden und der nachfolgenden Stufen an­ geordnet sind.
1. Articulated module for a remotely operable manipulator, characterized in that the articulated module has a stationary housing ( 3 ) with an attached to the drive motor ( 2 ), a rotatable on the stationary housing gela gertes movable housing ( 11 ) which is rotatable by the drive motor and has a position detector ( 8 ) serving to detect the angle of rotation of the movable housing ( 11 ),
the stationary housing ( 3 ) and the movable housing ( 11 ) have articulated surfaces ( 3 A, 11 A) which are inclined at 45 ° with respect to a rotatingly driven shaft ( 4 A, 6 ), and
on the articular surfaces ( 3 A, 11 A) locking mechanisms ( 18 ,, 18 ), for releasable connection with articulated mechanisms or arm members in previous and subsequent stages, and electrical connectors ( 9 , 16 ), for connecting to electrical connectors of the preceding and the following Stages are arranged.
2. Gelenkmodul nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein mehrere Übertragungskanäle aufwei­ sender Kabelbaum (10) in der drehend angetriebenen Welle (4A, 6) aufgenommen wird, wobei die Anzahl von Übertragungskanälen übereinstimmt mit der Anzahl von Gelenkmodulen, die für den Aufbau eines einzelnen Manipulators erforderlich sind.2. Joint module according to claim 1, characterized in that a plurality of transmission channels aufwei sender cable harness ( 10 ) in the rotatably driven shaft ( 4 A, 6 ) is received, the number of transmission channels corresponds to the number of joint modules for the Building a single manipulator are required. 3. Gelenkmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der elektrische Verbinder (16) zu einer vorbestimmten Lage relativ zu dem beweglichen Ge­ häuse (11) frei drehbar ist.3. Joint module according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical connector ( 16 ) to a predetermined position relative to the movable housing Ge ( 11 ) is freely rotatable. 4. Fernbetätigter Manipulator, aufgebaut durch Kombi­ nieren mehrerer Gelenkmodule mit mehreren Armgliedern, da­ durch gekennzeichnet,
daß zwei Gelenkmodule (1) in paralleler Anordnung der­ art Vorgesehen sind, daß sie zur Aufnahme eines großen Last­ moments an einem Basisende jedes Armglieds ein Einzelgelenk bilden, und
die Gelenkmodulen (1) synchron miteinander angetrieben werden.
4. Remote-operated manipulator, constructed by combining several joint modules with several arm members, as characterized by
that two joint modules ( 1 ) are provided in a parallel arrangement of the type, that they form a single joint at a base end of each arm link to accommodate a large load moment, and
the joint modules ( 1 ) are driven synchronously with one another.
5. Manipulator nach Anspruch 4, daß die in paralleler Lage angeordneten Gelenkmodule (1) derart gesteuert werden, daß eines von ihnen als Haupt-Gelenkmodul und das andere Mo­ dul als Hilfs-Gelenkmodul, welches dem Haupt-Gelenkmodul (1) folgt, angetrieben werden.5. Manipulator according to claim 4, that the joint modules arranged in parallel ( 1 ) are controlled such that one of them as the main joint module and the other module as auxiliary joint module, which follows the main joint module ( 1 ), driven will. 6. Manipulator nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hilfs-Gelenkmodul (1), wenn es dem Haupt-Gelenkmodul (1) folgt, in Übereinstimmung mit einem Soll-Geschwindigkeitssignal gesteuert wird, welches propor­ tional zu einem Wert ist, den man dadurch erhält, daß man ein Positionserfassungssignal des Hilfs-Gelenkmoduls (1), welches den Haupt-Gelenkmodul (1) folgend angetrieben wird, von einem Positionserfassungssignal des Haupt-Gelenkmoduls (1) subtra­ hiert.6. Manipulator according to claim 5, characterized in that the auxiliary joint module (1) when it follows the main hinge module (1) is controlled in accordance with a target velocity signal, which is propor tional to a value that is obtained by reacting the auxiliary hinge module (1) which is the main hinge module is driven following (1), hiert subtra a position detection signal from a position detection signal of the main hinge module (1).
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