DE60020466T2

DE60020466T2 - Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden

Info

Publication number: DE60020466T2
Application number: DE60020466T
Authority: DE
Inventors: Francois Pierrot; Olivier Company; Tetsuro Kariya-shi Shibukawa; Koji Kariya-shi Morita
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2020-09-19
Also published as: DE60020466D1; JP2001088072A; US6516681B1; EP1084802A2; JP3806273B2; EP1084802A3; EP1084802B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein technisches Gebiet eines Parallelroboters, worin eine Vielzahl von Aktuatoren parallel angeordnet sind. Obwohl die vorliegende Erfindung für einen für Transportzwecke, Verarbeitung oder Bearbeitung geeigneten Industrieroboter konstruiert ist, ist sie ebenfalls breit auf andere Vorrichtungen wie z. B. einem Fahrsimulator für ein Motorfahrzeug anwendbar.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Der Industrieroboter ist in einem seriellen Roboter wie einem Armbauart-Roboter mit einem seriellen Gelenkmechanismus klassifiziert, worin Aktuatoren in Serie vorgesehen sind, und für einen Parallelroboter wie z. B. einem Flugsimulator wie einem parallel Lenkmechanismus, worin Aktuatoren parallel vorgesehen sind. In dem Parallelroboter wird unähnlich zu dem Fall des seriellen Roboters kein Biegemoment auf Stangen angewendet, die den Gelenkmechanismus bestimmen. Nur eine Zug- oder Druck-Axialkraft wird auf die Stangen aufgebracht. Somit ist der Parallelroboter geeignet, mit einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Beschleunigung zu arbeiten und eine hohe Steifigkeit sicherzustellen.
Parallelroboter mit sechs Freiheitsgraden (Stand der Technik I), wie z. B. ein Flugsimulator, sind in der US- Patentschrift Nr. 5, 333, 514 und der US-Patentschrift Nr. 5, 715, 729 offenbart und wurden bereits kommerziell verwertet. In diesen Parallelrobotern mit sechs Freiheitsgraden kann eine bewegliche Platte entlang von drei orthogonalen Achsen verschoben in alle Richtungen werden und um die drei orthogonalen Achsen gedreht werden. Mit anderen Worten kann die bewegliche Platte mit einem ausgesprochen hohen Freiheitsgrad betätigt werden. Jedoch sind sechs Aktuatoren erforderlich, um Bewegungen mit sechs Freiheitsgraden in einem solchen Parallelroboter mit sechs Freiheitsgraden zu realisieren. Es ist unmöglich die Aktuatoren wegzulassen. Deswegen besteht unvermeidlich eine Einschränkung, die auf einen Versuch einwirkt, die Kosten zu reduzieren. Diese Einschränkung macht den Parallelroboter mit sechs Freiheitsgraden teuer.
Es ist berücksichtigt, dass Flugsimulatoren zum Simulieren eines Manövers eines Luftfahrzeuges sechs Freiheitsgrade benötigen. Jedoch erfordern Industrieroboter nicht immer sechs Freiheitsgrade. Industrieroboter arbeiten nämlich zufriedenstellend so lange sie mit vier Freiheitsgraden verschoben werden können, d. h. so lange sie in einer Längs-, seitlichen- und vertikalen Richtung bewegt und einer horizontalen Ebene gedreht werden können. Eine Bestimmung mit sechs Freiheitsgraden ist eine Überlastung für Industrieroboter.
Somit offenbart die US-Patentschrift Nr. 4, 976, 582 einen Pseudo-Parallelroboter, der in der Lage ist sich mit den zuvor erwähnten vier Freiheitsgraden zu bewegen. Dieser Roboter wird als "Stand der Technik II" bezeichnet, um von einem Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden gemäß der vorliegenden Erfindung unterschieden zu werden.
Der Roboter des Standes der Technik II weist drei parallele Gelenke auf, von denen jedes zwei durch einen Aktuator angetriebene Stangen aufweist. Diese parallelen Gelenke machen es möglich, eine bewegliche Platte mit drei Freiheitsgraden zu bewegen. Um zu ermöglichen, dass die bewegliche Platte in eine horizontale Ebene gedreht wird, weist der Roboter des Standes der Technik II eine frei ausfahrbare Momentenstange auf, die durch einen vierten Aktuator drehend angetrieben wird. Die Momentenstange ist an einem Ende einer Welle eines drehenden Motors durch ein Kardangelenk und an dem anderen Ende an einem Mittelabschnitt der beweglichen Platte durch ein Kardangelenk gekoppelt. Deswegen folgt die bewegliche Platte der drehenden Bewegung der Antriebswelle des drehenden Motors und wird in der horizontalen Ebene gedreht.
In dem Roboter des Standes der Technik II kann die Anzahl der Aktuatoren auf vier reduziert werden. Als Ergebnis ist dieser Roboter weniger teuer als der zuvor erwähnte Parallelroboter mit sechs Freiheitsgraden, der sechs Aktuatoren erfordert.
Jedoch ist es bei dem Roboter des Standes der Technik II schwierig, eine Bewegung mit einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Beschleunigung zu erhalten, wie eigentlich von dem Parallelroboter verlangt wird, da ein Torsionsmoment auf die Momentenstange angewendet ist. Falls nämlich ein großes Moment auf die Momentenstange angewendet ist, unterliegt diese einer Torsionsverformung. Aus diesem Grund kann der Roboter des Standes der Technik II nicht so genau gedreht werden, wie der des Standes der Technik I. Falls die Drehung des Roboters des Standes der Technik II sehr plötzlich angehalten wird, bewirkt dies Torsionsschwingungen. In diesem Fall wird eine lange Zeit benötigt, um den Roboter zu positionieren.
Da der Roboter des Standes der Technik II zusätzlich die für Torsionsverformung gefährdete Momentenstange aufweist, wie oben beschrieben wurde, tendiert seine Steifigkeit dazu, nicht ausreichend zu sein. Deswegen wird die bewegliche Platte in Übereinstimmung mit der Torsionsverformung der Momentenstange gedreht, wenn ein Giermoment auf sie ausgeübt wird. Als Ergebnis ist der Roboter des Standes der Technik II darin nachteilig, dass die bewegliche Platte nicht einfach mit hoher Steifigkeit und hoher Genauigkeit positioniert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden bereitzustellen, der in der Lage ist eine bewegliche Platte mit vier Freiheitsgraden mit hoher Geschwindigkeit und einer hohen Beschleunigung zu verschieben, und die bewegliche Platte mit hoher Steifigkeit und Genauigkeit zu positionieren.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden die in Anspruch 1 und 7 definierten Merkmale.
In dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind die vier Aktuatoren auf eine zwischenverbundene Weise gesteuert. Falls die vier Stangenteile durch vorbestimmte Hübe geschoben oder gezogen werden, wird die bewegliche Platte durch die Stangenteile verschoben. Dieser Hauptabschnitt der beweglichen Platte bewegt sich mit einer bestimmten Anzahl von Freiheitsgraden, d. h. mit vier Freiheitsgraden. Der Hauptabschnitt kann nämlich geradlinig in alle Richtungen bewegt werden und um eine vorbestimmte Achse gedreht werden. Deswegen ist eine Position des anderen Endes von jedem der Stangenteile auf der Seite der beweglichen Platte ebenfalls bestimmt, falls eine Position von einem Ende von jedem der vier Stangenteile auf der Seite der Aktuatoren bestimmt ist. Somit wird die Position und Lage der beweglichen Platte einzeln bestimmt.
Falls nämlich die Hübe der vier Aktuatoren bestimmt werden, ist der Hauptabschnitt der beweglichen Platte bei einem Punkt in einem dreidimensionalen Zwischenraum durch die vier Stangenteile positioniert. Ebenfalls ist die Lage der beweglichen Platte durch eine vorbestimmte Drehposition um eine vorbestimmte Achse bestimmt. In diesem Vorgang ist nur eine Zug- oder Druck-Axialkraft auf jedes der Stangenteile aufgebracht. Diese Stangenteile sind frei von einem Moment oder von einer Torsionsverformung.
Deswegen ist die bewegliche Platte in einer vorbestimmten Position in dem dreidimensionalen Raum in einer vorbestimmten Lage mit hoher Steifigkeit also mit hoher Genauigkeit fixiert, falls sichergestellt ist, dass kein Freiraum in kinematischen Elementen und ähnlichem für die Stangenteile vorliegt. Wenn darüber hinaus die Aktuatoren angetrieben werden, um die bewegliche Platte zu verschieben, ist nur eine Axialkraft auf jedes der Stangenteile aufgebracht. Die Stangenteile weisen nämlich eine hohe Steifigkeit auf, und sind somit in der Lage, eine große Innertialkraft auszuhalten. Somit kann die bewegliche Platte mit hoher Beschleunigung innerhalb des Bereichs der Antriebskräfte der Aktuatoren beschleunigt oder verzögert werden. Als Ergebnis wird es möglich, eine Betätigung mit hoher Geschwindigkeit innerhalb des Bereichs der Antriebsgeschwindigkeiten der Aktuatoren zu erhalten.
Somit weist der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung die Auswirkung auf, den Hauptabschnitt der beweglichen Platte mit Freiheitsgraden mit einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Beschleunigung zu verschieben und den Hauptabschnitt mit hoher Steifigkeit und hoher Genauigkeit zu positionieren. Diese Auswirkung kann durch den zuvor erwähnten Roboter des Standes der Technik II nicht erhalten werden.
Zusätzlich kann die Anzahl der Aktuatoren im Vergleich mit dem zuvor erwähnten Parallelroboter mit sechs Freiheitsgraden reduziert werden. Deswegen kann der Parallelroboter in Übereinstimmung mit dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung zu niedrigeren Kosten als der Parallelroboter mit sechs Freiheitsgraden hergestellt werden.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden die Merkmale des Anspruchs 2.
Der zweite Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung erreicht im Wesentlichen die gleiche Auswirkung wie der zuvor erwähnte erste Gesichtspunkt. Zusätzlich ist kein Aktuator an der Basis befestigt, und die Aktuatorstangen, die als die Aktuatoren dienen und die Stangenteile des ersten Gesichtspunkts sind aufgenommen. Somit ist die gesamte Konstruktion vereinfacht, und eine Reduktion von Größe und Gewicht ist ermöglicht. Aus einem ähnlichen Grund wird es ebenfalls möglich, die Kosten weiter zu reduzieren.
Somit erreicht der zweite Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu der Auswirkung des zuvor erwähnten ersten Gesichtspunkts die Auswirkung, weitere Reduktionen in Größe, Gewicht und Kosten möglich zu machen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorangehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden, worin:
1 eine perspektivische Ansicht der Struktur eines Parallelroboters mit vier Freiheitsgraden in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische, perspektivische Ansicht der Struktur eines Gelenkmechanismus in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Draufsicht von Befestigungsrichtungen von Stangenteilen in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 ein Flussdiagramm des wesentlichen Teils einer Steuerlogik in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 ein Blockdiagramm der Struktur einer Steuervorrichtung in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine Draufsicht von Befestigungsrichtungen von Stangenteilen in Übereinstimmung mit einem ersten abgewandelten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Draufsicht von Befestigungsrichtungen der Stangenteile in Übereinstimmung mit dem ersten abgeänderten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 eine Draufsicht von Befestigungsrichtungen der Stangenteile in Übereinstimmung mit dem ersten abgeänderten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 eine Draufsicht von Befestigungsrichtungen des Stangenteils in Übereinstimmung mit dem ersten abgeänderten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine schematische, perspektivische Ansicht der Konstruktion eines zweiten abgeänderten Beispiels der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
11 eine schematische, perspektivische Ansicht der Konstruktion eines dritten abgeänderten Beispiels der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
12 eine schematische, perspektivische Ansicht der Struktur eines vierten abgeänderten Beispiels der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
13 eine schematische, perspektivische Ansicht der Struktur eines fünften abgeänderten Beispiels der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
14 eine perspektivische Ansicht der Struktur einer beweglichen Platte in Übereinstimmung des sechsten abgeänderten Beispiels der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
15 eine schematische, perspektivische Ansicht der Struktur eines Gelenkmechanismus in Übereinstimmung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
16 eine schematische perspektivische Ansicht der Struktur eines Gelenkmechanismus in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen eines Parallelroboters mit vier Freiheitsgraden der vorliegenden Erfindung deutlich und ausreichend beschrieben, sodass Fachleute die vorliegende Erfindung ausführen können.
1. Ausführungsform I
(Konstruktion der Ausführungsform I)
Wie aus 1 ersichtlich ist, weist ein Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Basis 1, vier Aktuatoren 2 und Stangenteile (Parallelgestänge 3), eine bewegliche Platte 4 und einen Endeffektor 5 auf.
Die Basis 1 ist aus einer steifen Metallplatte gemacht, die die Form eines gleichseitigen Oktagons aufweist, wenn sie in einer Draufsicht betrachtet wird. Die Basis 1 ist horizontal vorgesehen und an ihrer oberen Fläche eines Rahmens (nicht gezeigt) befestigt. Klammern 21 der vier Aktuatoren 2 sind entsprechend an vier Ecken einer unteren Fläche der Basis 1 in vorbestimmten Positionen und vorbestimmten Winkeln befestigt.
Jeder der vier an der Basis 1 befestigten Aktuatoren 2 ist aus der Klammer 21, einem drehenden Motor 22, der an der Klammer 21 befestigt ist, und einem Arm 23, der an einem Ende einer Antriebswelle befestigt ist die drehend durch den drehenden Motor 22 innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs angetrieben wird, zusammengesetzt. Die drehenden Motoren 22 sind Servomotoren, die unabhängig durch eine später beschriebene Steuereinrichtung gesteuert werden.
Jedes der vier Stangenteile ist an einem Ende durch ein kinematisches Element wie z. B. ein Kardangelenk 33 an einem spitzen Ende des Arms 23 gekoppelt, der als beweglicher Abschnitt des Aktuators 2 dient. Um genauer zu sein, ist jedes der Stangenteile aus zwei langen Stangen 31 konstruiert, die zueinander parallel liegen. Die langen Stangen 31, ein Paar von kurzen Endteilen 32, die zueinander parallel liegen, und vier Kardangelenke 33, die drehbar die Stangen 31 an die Endteile 32 koppeln, bestimmen ein Parallelgestänge 3. Endteile 32, die gegenüberliegende Endabschnitte von jedem Parallelgestänge 3 bestimmen, sind entsprechend an den Aktuator 2 und die bewegliche Platte 4 gekoppelt.
Jedes Parallelgestänge 3 ist nämlich aus zwei Stangen 31, einem Paar Endteile 32, und Kardangelenken 33 zusammengesetzt, die drehbar die Stangen 31 und die Endteile 32 koppeln, und liegt immer in Form eines Parallelogramms vor. Eines der Endteile 32 jedes Parallelgestänges 3 ist an einem spitzen Ende des Arms 23 des Aktuators 2 gekoppelt, und das andere ist an einem Ende des Kopplungsteils 42 der beweglichen Platte 4 gekoppelt.
Das an dem spitzen Ende des Arms 23 des Aktuators 2 befestigte Endteil 32 ist parallel zu einer Antriebswelle des Aktuators 2 befestigt. Somit ist die Antriebswelle von jedem Aktuator 2 parallel zu dem Endteil 32 gegenüberliegenden Enden eines entsprechenden der Parallelgestänge 3 gehalten.
Die bewegliche Platte 4 ist bei vier Ecken durch Kardangelenke 33 an die Endteile 32 der unteren Enden der entsprechenden Parallelgestänge 3 gekoppelt. Die bewegliche Platte 4 weist ein Hauptteil 41 auf, dessen unterer Abschnitt an dem Endeffektor 5 befestigt ist, und ein Paar von Kopplungsteilen 42, deren Zwischenabschnitte relativ drehbar zu gegenüberliegenden Enden des Hauptteils 41 gekoppelt sind. Die Endabschnitte der Kopplungsteile 42 sind entsprechend an Endteile 32 der zwei entsprechenden Parallelgestänge 3 gekoppelt. Die bewegliche Platte 4 ist nämlich aus dem Hauptteil 41, einem Paar von Kopplungsteilen 42 und einem Paar von Drehpunkten 43, die die Zwischenabschnitte der Kopplungsteile 42 mit den gegenüberliegenden Enden des Hauptteils 41 derart verbinden, dass das Hauptteil relativ zu jedem Kopplungsteil um eine vertikale Achse drehen kann, zusammengesetzt.
Durch geeignetes Steuern der Aktuatoren 2 ist das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 in der Lage, sich mit vier Freiheitsgraden zu bewegen. Das Hauptteil 41 kann der Länge nach in alle Richtungen bewegt werden, d. h. in Längsrichtung, in Seitenrichtung und vertikal, und um die vertikale Achse gedreht werden. Wie aus 2 ersichtlich ist, bestimmen nämlich die Arme 23 des Aktuators 2, das Parallelgestänge 3 und die bewegliche Platte 4 einen Gelenkmechanismus. Deswegen kann das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 seine Position und Lage mit vier Freiheitsgraden ändern, wie oben beschrieben wurde. In 2 sind sechzehn Kardangelenke 33 und ein Paar Drehpunkte 43 durch kleine Kreise bezeichnet.
3 zeigt eine Kombination von Richtungen der Endteile 32 der parallelogrammförmigen Gestänge 3, die an die vier Ecken der beweglichen Platte 4 gekoppelt sind. Vier Endteile 32 der Parallelgestänge 3 sind an einem Paar von Endteilen 32 der beweglichen Platte 4 auf folgende Weise befestigt. Unter der Annahme der Richtung des Rechtsvorderen Endteils 32 als Bezugsrichtung, werden nämlich die Endteile 32 aufeinanderfolgend im Uhrzeigersinn um Winkel von 0°, 90°, 252° und 315° gedreht. Solch eine Kombination von Befestigungsrichtungen der Endteile 32 ist so bestimmt, dass die bewegliche Platte 4 direkt unter der Mitte der Basis 1 angeordnet ist, und das die Kopplungsteile 42 rechtwinklig zu dem Hauptteil 41 liegen. Solch eine Kombination von Befestigungswinkeln der Endteile 32 ist derart bestimmt, dass eine statische Unbestimmtheit durch die Erzeugung eines einzelnen Punktes (einen stationären einzelne Punkt und einen unsicheren einzelnen Punkt) bei der Bewegung der Gelenke nicht verursacht wird. Nebenbei ist eine Kombination von Befestigungswinkeln der Endteile 32 derart bestimmt, dass das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 in Position und Lage ausreichend stabil wird.
Wieder mit Bezug auf 1 ist der Endeffektor 5 an dem Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 befestigt und ragt nach unten vor. Der Endeffektor 5 kann gemäß der Verwendung des Parallelroboters mit vier Freiheitsgraden der vorliegenden Ausführungsform ausgetauscht werden. Ein Steuersignal und Strom werden durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) bzw. durch eine Stromleitung (nicht gezeigt) dem Endeffektor 5 zugeführt. Die Signalleitung und die Stromleitung können von der Basis aus aufgehängt sein, während sie durch diese geeignet gestützt sind. Alternativ können die Signalleitung und die Stromleitung entlang eines der Arme 23 und eines der Parallelgestänge 3 vorgesehen sein.
Der Endeffektor 5 kann eine Handhabungsvorrichtung zum Übertragen von Arbeiten und unterstützenden Arbeiten in vorbestimmten Positionen oder einer Hauptspindelvorrichtung eines Maschinenwerkzeugs zum Bearbeiten von Werkstücken sein.
Wie aus 4 ersichtlich ist, ist die Steuereinrichtung aus einer Steuervorrichtung 6, die ein digitaler Computer ist, und einem Antriebsschaltkreis 7, der an der Steuervorrichtung 6 angebracht ist, zusammengesetzt. Die Steuervorrichtung 6 ist aus einer CPU 61, einem Speicher 62, Schnittstellen 63, 64 und Ähnlichem zusammengesetzt. Die Steuervorrichtung 6 ist in einer I/O- (Eingabe-/Ausgabe-) Vorrichtung 65 und einem externen Speicher 66 durch der Schnittstelle 63 verbunden. Die I/O-Vorrichtung 65 ist eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, die aus einer Tastatur und einem CRT-Schirm zusammengesetzt ist. Der externe Speicher 66 ist eine Festplatte. Ein Steuerprogramm zum Steuern des Parallelroboters mit vier Freiheitsgraden der Ausführungsform gemäß einer vorbestimmten Folge ist in dem externen Speicher 66 gespeichert. Somit kann der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden der Ausführungsform verschiedene Arbeiten durch Ersetzen der Steuerprogramme durchführen.
Ein Programm zum Umwandeln von Koordinaten, um Drehwinkelpositionen zu berechnen, die durch die drehenden Motoren 22 anzunehmen sind, ausgehend von Befehlswerten für eine Position und eine Lage, die durch das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 anzunehmen ist, ist in dem Speicher 62 der Steuervorrichtung 6 gespeichert. Die Position und die Lage, die durch das Hauptteil 41 anzunehmen sind, sind durch den externen Speicher 66 bezeichnet.
Wie aus 5 ersichtlich ist, ist dieses Programm zum Umwandeln von Koordinaten ein Programm, worin ein Eingabebefehlswert in einem Verarbeitungsschritt S1 gelesen wird, worin eine Koordinatenumwandlung in einem Verarbeitungsschritt S2 durchgeführt wird, und worin ein Befehlswert nach der Koordinatenumwandlung in einem Verarbeitungsschritt S3 ausgegeben wird. Diese Verarbeitungen werden wiederholt, bis in einem Beurteilungsschritt S4 beurteilt wird, dass der Vorgang beendet wurde.
Der Eingabebefehlswert (X, Y, Z, C) ist aus vier Werten zusammengesetzt, die für Längs-, seitliche-, und vertikale Positionen (X, Y, Z) und eine Gierlage C bezeichnet sind, die durch den Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 anzunehmen sind. Andererseits ist der Befehlswert nach der Koordinatenumwandlung, d. h. das Ausgabekoordinatensystem (P, Q, R, S) aus Drehwinkelpositionen zusammengesetzt, die durch die vier drehenden Motoren 23 entsprechend anzunehmen sind. Während der Koordinatenumwandlung in dem Verarbeitungsschritt S2 wird eine Linearberechnung ausgeführt, um aus vier bestehende, gleichzeitige Gleichungen zu lösen.
Wieder mit Bezug auf 4, falls Befehlswerte (P, Q, R, S) für die entsprechenden drehenden Motoren 22 berechnet werden, werden die Befehlswerte zu vier Antriebseinheiten 71 des Antriebsschaltkreises 7 bei der Schnittstelle 64 zugeliefert. Dann treibt jede der Antriebseinheiten 72 gleichmäßig einen entsprechenden der drehenden Motoren 22, und setzt seine Drehwinkelposition die durch den Befehlswert gekennzeichnet wurden.
Impulsgeber zum Erfassen der Drehwinkelpositionen mit einer hohen Auflösung sind an den drehenden Motoren 22 angebracht, und eine Rückkopplungsschleife ist zwischen den Antriebseinheiten 72 und den drehenden Motoren 22 ausgebildet. Deswegen können die Drehwinkelpositionen der drehenden Motoren 22 mit ausreichender Genauigkeit gesteuert werden.
(Betätigung und Auswirkung der Ausführungsform I)
Da der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden zur Ausführungsform konstruiert ist, wie oben beschrieben wurde, kann er hauptsächlich die folgenden zwei Betätigungen und Auswirkungen erreichen.
Als erste Auswirkung kann das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 mit hoher Geschwindigkeit und hoher Beschleunigung mit vier Freiheitsgraden verschoben werden, und mit hoher Steifigkeit als auch mit hoher Genauigkeit positioniert werden.
Bei dem Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform werden die vier Aktuatoren 22 in einer zwischenverbundenen Weise gesteuert, so dass die vier Parallelgestänge 3 durch ihre vorbestimmten Hübe geschoben bzw. gezogen werden. Dann wird die bewegliche Platte 4 durch die Parallelgestänge 3 geschoben, wobei Positionen und Lagen des Hauptteils 41 der beweglichen Platte 4 und ein Paar der Kopplungsteile 42 bestimmt werden.
Das Hauptteil 41 der zu beweglichen Platte 4 weist eine beschränkte Anzahl von Freiheitsgraden auf, d.h. vier Freiheitsgrade. Das Hauptteil 41 kann nämlich der Länge nach in alle Richtungen bewegt werden, und um eine vorbestimmte Achse gedreht werden. Somit sind bei den vier Parallelgestängen 3, falls die Positionen der Endteile 32 auf der Seite des Aktuators 2 bestimmt werden, die Positionen der Endteile 32 auf der Seite der beweglichen Platte 4 ebenfalls einzeln bestimmt. Als Ergebnis sind Positionen und Lagen, die durch das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 anzunehmen sind, und ein Paar von Kopplungsteilen 42 einzeln bestimmt.
Mit anderen Worten, falls Hübe der vier Aktuatoren bestimmt werden, wird die Position des Hauptteils 41 der beweglichen Platte 4 durch die vier Parallelgestänge 3 bei einem Punkt in einem dreidimensionalen Raum bestimmt. Nebenbei ist ebenfalls die Lage des Hauptteils 41 der beweglichen Platte 4 bei einer vorbestimmten Drehposition um die vertikale Achse bestimmt. In diesem Fall ist nur eine Zug- oder Druck-Axialkraft auf die Stangen 31 der Parallelgestänge 3 aufgebracht. Die Stangen 31 sind frei von einem Moment, wie z.B. einer Torsionsverformung.
Deswegen ist es bevorzugt, dass der Aktuator 2 mit ausreichender Genauigkeit arbeitet, dass die Kardangelenke 33 der gegenüberliegenden Enden der Stangen 32 im Wesentlichen frei von Spiel sind, und dass der Arm 23, die Parallelgestänge 3 und die zu bewegliche Platte 3 ausreichend steif sind. Falls diese Bedingungen erfüllt sind, ist das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 an der vorbestimmten Position in der vorbestimmten Lage in dem dreidimensionalen Raum mit hoher Steifigkeit als auch mit hoher Genauigkeit befestigt.
Wenn darüber hinaus die bewegliche Platte 4 durch das Bewegen der entsprechenden Aktuatoren 2 verschoben wird, weisen die Stangen 31 der Parallelgestänge 3 eine ausgesprochen hohe Steifigkeit auf, da nur eine Axialkraft auf diese angewendet wird. Somit können die Parallelgestänge 3 eine große Inertialkraft aushalten. Deswegen kann die bewegliche Platte 4 mit einer hohen Beschleunigung innerhalb des Bereichs des Antriebskräfte des Aktuators 2 beschleunigt und verzögert werden. Als Ergebnis ist es ebenfalls möglich, eine Betätigung hoher Geschwindigkeit innerhalb des Bereichs der Antriebsgeschwindigkeit der Aktuatoren 2 durchzuführen.
Somit weist der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform die Auswirkung auf, das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 mit vier Freiheitsgraden mit einer hohen Geschwindigkeit und hoher Beschleunigung zu verschieben, und das Hauptteil 41 mit hoher Steifigkeit als auch mit hoher Präzision zu positionieren. Diese Auswirkung kann durch den zuvor erwähnten Stand der Technik II nicht erhalten werden.
Nebenbei kann bei dem Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform die Anzahl von Aktuatoren 2 im Vergleich mit dem zuvor erwähnten Parallelroboter mit sechs Freiheitsgraden reduziert werden. Somit weist der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden im Vergleich mit dem Parallelroboter mit sechs Freiheitsgraden ebenfalls die Auswirkung auf, zu niedrigeren Kosten hergestellt zu sein.
Als zweite Auswirkung können das strukturelle Design und die Herstellung von Software einfacher ausgeführt werden. Somit können zuzüglich zu der zuvor erwähnten Reduktion der Anzahl der Aktuatoren 2 die Kosten weiter reduziert werden.
Bei dem Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform sind nämlich alle vier Stangenteile 3 als Parallelgestänge 3 konstruiert, von denen jedes zwei parallele Stangen 31 aufweist. Die Parallelgestänge 3 sind von dem gleichen Standard. Als Ergebnis können die vier Parallelgestänge 3 entsprechend dem gleichen Standard hergestellt werden. Dies ermöglicht es, die Anzahl von verschiedenen Teilen zu reduzieren, ein strukturelles Design und die Herstellung von Software einfach auszuführen, und die Kosten zu verringern. Diese Auswirkung die Kosten zu verringern ist insbesondere in dem Fall einer Produktion kleinen Maßstabs bemerkenswert.
Wie oben beschrieben wurde, sind die Endteile 32 der Parallelgestänge 3 in dieser Ausführungsform in vorbestimmten Winkeln an die Kopplungsteile 42 der beweglichen Platte 4 befestigt. Die Endteile 32 der Parallelgestänge 3 der Antriebswellen der Aktuatoren 2 sind nämlich nicht an den vier Ecken der beweglichen Platte vier mit Winkelunterschieden von ganzzahligen Vielfachen von 45° montiert. Darüber hinaus sind zwei Paare der Endteile 32 mit einem Winkelunterschied von 90° montiert.
Somit wird ausgehend von einer Sollposition und einer Solllage, die durch das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 in dem dreidimensionalen Raum anzunehmen ist, eine vorbestimmte Koordinatenumwandlung durchgeführt, und der Verarbeitungsalgorithmus zum Berechnen der Sollhübe der vier Aktuatoren 2 wird vereinfacht. Als Ergebnis wird es einfach, ein Steuerprogramm für die Steuervorrichtung 6 der vier Aktuatoren 2 zu entwickeln. Da außerdem der Verarbeitungsalgorithmus für die Koordinatenumwandlung vereinfacht wurde, wie oben beschrieben wurde, schreitet die Steuerungsverarbeitung gleichmäßig für die Verarbeitungsleistung der Steuervorrichtung 6 voran. Somit wird es möglich, die bewegliche Platte 4 gleichmäßig zu ihrer Sollposition zu verschieben.
Somit weist der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform die Auswirkung auf, das strukturelle Design und die Herstellung der Steuersoftware zu erleichtern und Kosten zu verringern. Zusätzlich ist sogar eine relativ einfache Betätigung erreicht, falls die Steuervorrichtung 6 nicht teuer ist.
(Abgeändertes Beispiel I der Ausführungsform I)
Als ein abgeändertes Beispiel I dieser Ausführungsform ist es möglich, einen Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden zu realisieren, der von der Ausführungsform I und in Kombination der Montagewinkel der Aktuatoren 2 und der Parallelgestänge 3 mit der Basis 1 und der beweglichen Platte 4 unterschiedlich ist.
In diesem abgeänderten Beispiel können die Richtungen der Parallelgestänge 3, die mit den vier Ecken der beweglichen Platte 4 gekoppelt sind, kombiniert werden, wie unten beschrieben wird. Unter der Annahme einer vorbestimmten Richtung als Bezugsrichtung um die vertikale Achse, die eine Achse der Drehbewegung ist, sind die folgenden Kombinationen in einer Drehrichtung möglich. In diesem Fall sind die Montagewinkel der Parallelgestänge 3 Montagewinkel der Endteile 32 bei unteren Enden der vier Parallelgestänge 3 mit Bezug auf die bewegliche Platte 4. Es ist empfohlen, sich in Verbindung in 3 auf diese Montagewinkel zu beziehen.
Die Montagewinkel der Parallelgestänge 3 in diesem abgeänderten Beispiel sind nämlich entsprechend einer der vier folgenden Kombinationen bestimmt. Eine beliebige dieser Kombinationen ist möglich.

– Eine Kombination von 0°, 180°, 225° und 315° (siehe 6)
– Eine Kombinationen von 45°, 180°, 180° uns 315° (siehe 7)
– Eine Kombination von 0°, 135°, 180° und 315° (siehe 8)
– Eine Kombination von 0°, 90°, 180° und 270° (siehe 9)

Unter diesen Kombinationen ist die in 9 gezeigte Kombination empfehlenswert, da der Verarbeitungsalgorithmus für die Koordinatenumwandlung vereinfacht ist. Natürlich ist es möglich, Montagewinkel entsprechend einer anderen Kombination als der zuvor erwähnten Kombination anzunehmen, so lange eine Erzeugung eines singulären Punkts keine statische Unbestimmtheit oder einen überschüssigen Freiheitsgrad verursacht.
In der Ausführungsform I und dem abgeänderten Beispiel I sind die Gelenke der Parallelgestänge 3 alle aus Kardangelenken 33 konstruiert. Jedoch ist es ebenfalls möglich, ein abgeändertes Beispiel einzuführen, bei dem einige oder alle Kardangelenke 33 durch Kugelgelenke als kinematische Elemente ersetzt sind.
(Abgeändertes Beispiel II der Ausführungsform I)
Als abgeändertes Beispiel II dieser Ausführungsform wie aus 10 ersichtlich ist, ist es möglich, einen Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden zu realisieren, der vier Linearmotoren 2' als Aktuatoren anstelle der vier drehenden Motoren 22 der Ausführungsform I aufweist. Die als Aktuatoren dienenden Linearmotoren 2' sind an zwei Basen (nicht gezeigt) gesichert. Schienen der Linearmotoren 2' sind bei oberen Endabschnitten bei einer der Basen und bei unteren Endabschnitten der anderen Basis gesichert.
Jeder der Linearmotoren 2' ist aus einer sich vertikal erstreckenden Stangenschiene zusammengesetzt, die abwechselnd magnetisiert wird und aus einem Rutscher, der sich entlang der Schiene bewegt, und in den eine elektromagnetische Spule eingebaut ist. Das Endteil 32 bei dem oberen Ende des Parallelgestänges 3 ist in einem vorbestimmten Winkel an jedem Rutscher befestigt. Die Schienen der vier Linearmotoren 2' erstrecken sich vertikal und sind parallel zueinander vorgesehen.
Deswegen sind die Endteile 32 wegen der Betätigung der Linearmotoren 2' bei den oberen Enden der Parallelgestänge 3 vertikal verschoben, während sie in vorbestimmten Montagewinkeln beibehalten sind. Durch das geeignete Steuern der Ausmaße der Verschiebung wird es möglich, die bewegliche Platte 4 mit einer hohen Geschwindigkeit mit vier Freiheitsgraden zu bewegen, wie es der Fall mit der Ausführungsform I ist, und die bewegliche Platte 4 sicher zu positionieren. Somit ist es möglich, im Wesentlichen die gleiche Auswirkung wie in der Ausführungsform I zu erhalten.
Zusätzlich sind die Schienen der Linearmotoren 2' lange und zueinander parallel und erstrecken sich vertikal. Somit kann die bewegliche Platte 4 so lange entlang der Schienen der Linearmotoren 2' verschoben werden, wie diese vorhanden sind. Als Ergebnis erreicht dieses abgeänderte Beispiel die Auswirkung, einen Bewegungsbereich der beweglichen Platte 4 in der vertikalen Richtung bemerkenswert auszuweiten.
Außerdem verbleiben in diesem abgeänderten Beispiel die Endteile 32 bei den oberen Enden der Parallelgestänge 3 in den gleichen Positionen in der horizontalen Richtung. Somit ist der Gelenkmechanismus dieser abgeänderten Beispiele einfacher als der der Ausführungsform I. Deswegen ist der Verarbeitungsalgorithmus der Koordinatenumwandlung zur Berechnung der Sollpositionen der Linearmotoren 2' von einer Sollposition der Bewegungsplatte 4 weiter vereinfacht. Somit ist es ebenfalls möglich, die Auswirkung der Reduzierung der Berechnungskraft der Steuervorrichtung 6 zu erhalten.
Somit erreicht dieses abgeänderte Beispiel nicht nur im Wesentlichen die gleiche Auswirkung wie in der Ausführungsform I, sondern erreicht ebenfalls die Auswirkung, den Bewegungsbereich der beweglichen Platte 4 der vertikalen Richtung bemerkenswert auszudehnen und die Berechnungslast der Steuervorrichtung 6 zu reduzieren.
(Abgeändertes Beispiel III der Ausführungsform I)
Wie aus 11 ersichtlich ist, ist es als abgeändertes Beispiel III dieser Ausführungsform möglich, einen Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden zu realisieren, der zwei Linearmotoren 2' der Aktuatoren anstelle der vier drehenden Motoren 22 der Ausführungsform I aufweist. Ungleich dem zuvor erwähnten, abgeänderten Beispiel II setzt dieses abgeänderte Beispiel zwei Linearmotoren 2' ein, deren Schienen horizontal, parallel zueinander vorgesehen sind. Obwohl nicht gezeigt, sind zwei Basen bereitgestellt, um die als Aktuatoren dienenden Linearmotoren 2' zu sichern. Schienen der Linearmotoren 2' sind an beiden Enden an den Basen gesichert.
Jeder der Linearmotoren 2' ist aus einer sich horizontal erstreckenden langen Schiene zusammengesetzt, die abwechselnd magnetisiert wird, und aus einem Paar Rutschern, die sich entlang der Schiene bewegen, und in die elektromagnetische Spulen eingebaut sind. Die Endteile 32 bei oberen Enden der Parallelgestänge 3 sind in vorbestimmten Winkeln an den Rutschern befestigt. Die zwei Schienen der Linearmotoren 2' erstrecken sich horizontal und sind parallel zueinander vorgesehen.
Deswegen sind wegen der Betätigung der Linearmotoren 2' die Endteile 32 bei den oberen Enden der Parallelgestänge 3 horizontal verschoben, während sie in vorbestimmten Montagewinkeln beibehalten sind. Durch das geeignete Steuern der Ausmaße der Verschiebung wird es möglich, die bewegliche Platte 4 mit einer hohen Geschwindigkeit mit vier Freiheitsgraden zu bewegen, wie es mit der Ausführungsform I der Fall ist, und die bewegliche Platte sicher zu positionieren. Somit ist es möglich, im Wesentlichen die gleiche Auswirkung wie in der Ausführungsform I zu erhalten.
Zusätzlich sind die Schienen der Linearmotoren 2' lang und zueinander parallel und erstrecken sich horizontal. Somit kann die bewegliche Platte 4 entlang der Schienen der Linearmotoren 2' entsprechend deren Länge verschoben werden. Als Ergebnis erreicht dieses abgeänderte Beispiel die Auswirkung, einen Bewegungsbereich der beweglichen Platte 4 in der horizontalen Richtung bemerkenswert auszuweiten.
Außerdem verbleiben in diesem abgeänderten Beispiel die Endteile 32 bei den oberen Enden der Parallelgestänge 3 in der vertikalen Richtung in den gleichen Positionen. Somit ist der Gelenkmechanismus dieses abgeänderten Beispiels einfacher als jener der Ausführungsform I. Wie in dem Fall mit dem zuvor erwähnten abgeänderten Beispiel II ist der Verarbeitungsalgorithmus der Koordinatenumwandlung zum Berechnen der Sollpositionen der Linearmotoren 2' von einer Sollposition der beweglichen Platte 4 deswegen weiter vereinfacht. Somit ist es ebenfalls möglich, die Auswirkung zu erhalten, die Berechnungslast der Steuervorrichtung 6 zu reduzieren.
Somit erreicht dieses abgeänderte Beispiel nicht nur im Wesentlichen die gleiche Auswirkung wie in der Ausführungsform I, sondern erreicht ebenfalls die Auswirkung den Bewegungsbereich der beweglichen Platte 4 in der horizontalen Richtung bemerkenswert auszuweiten und die Berechnungslast der Steuervorrichtung 6 zu reduzieren.
(Abgeändertes Beispiel IV der Ausführungsform I)
Wie aus 12 ersichtlich ist, ist es als abgeändertes Beispiel IV dieser Ausführungsform möglich, einen Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden zu realisieren, der Kugelschraubvorrichtungen 2'' als Aktautoren an Stelle der drehenden Motoren 22 ausweist. Die Kugelschraubvorrichtungen 2'' sind als "Rutschtische" in der US Patentschrift Nr. 5,715,729 offenbart. Es ist daher empfohlen, im Falle der Notwendigkeit auf diese Veröffentlichung Bezug zu nehmen.
In diesem abgeänderten Beispiel sind die Kugelschraubvorrichtungen 2'', die in vorbestimmten Winkeln von der vier Ecken eine im Allgemeinen quadratische Basis eines Strichs nach oben und außen vorspringen, an der Basis eines Strichs befestigt. Die Endteile 32 bei den oberen Enden der Parallelgestänge 3 sind an Muttern der Kugelschraubvorrichtungen 2'' in vorbestimmten Winkeln befestigt. Deswegen wird es durch das geeignete Verschieben der Endteile 32 der Parallelgestänge 3 mittels der Kugelschraubvorrichtungen 2'' möglich, die bewegliche Platte mit vier Freiheitsgraden zu verschieben, wie es mit der Ausführungsform I der Fall ist. Zusätzlich können die Kugelschraubvorrichtunen 2'' mit ausgesprochen hoher Genauigkeit positioniert werden, weisen eine große Antriebskraft auf und sind ausreichend steif und nahezu frei von Spiel. Somit kann die bewegliche Platte 4 mit einer höheren Genauigkeit und höheren Steifigkeit positioniert werden.
Somit erreicht der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform nicht nur im Wesentlichen die gleiche Auswirkung wie in der Ausführungsform I, sondern erreicht ebenfalls die Auswirkung der beweglichen Platte 4 mit höherer Genauigkeit und höherer Steifigkeit zu positionieren.
(Abgeändertes Beispiel V der Ausführungsform I)
Wie aus 13 ersichtlich ist, ist es als abgeändertes Beispiel V dieser Ausführungsform möglich, einen Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden zu realisieren, der zumindest eine einzelne Stange 3' im Falle eines der Parallelgestänge aufweist. Dann ist die einzelne Stange 3' an einem Ende mit dem Ende des Arms 23 und an dem anderen Ende mit der Ecke der beweglichen Platte 4 durch Kardangelenke 33 gekoppelt. Da Kardangelenke anstelle von Kugelgelenken mit beiden Enden der einzelnen Stange 3' gekoppelt sind, wird es möglich, das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 wie in der Ausführungsform I mit vier Freiheitsgraden zu bewegen. Somit ist es möglich, im Wesentlichen die gleiche Auswirkung wie in der Ausführungsform I zu erhalten.
(Abgeändertes Beispiel VI der Ausführungsform I)
Als abgeändertes Beispiel VI dieser Ausführungsform ist es möglich, einen Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden zu realisieren, der eine bewegliche Platte 4' einer anderen Konstruktion anstelle der beweglichen Platte 4 aufweist.
In 14 weist die beweglichen Platte 4' ein Hauptteil 41, ein Paar von Kopplungsteilen 42, deren Mittelabschnitte relativ drehbar bei gegenüberliegenden Enden des Hauptteil 41 gekoppelt sind, und ein Paar von Drehpunkten 43, die die mittleren Abschnitte der Kopplungsteile 42 mit den gegenüberliegenden Enden des Hauptteils 41 derart verbinden, dass das Hauptteil relativ zu jedem Kopplungsteil um eine vertikale Achse drehen kann, auf. Der Endeffektor 5' ist an dem Mittelabschnitt des Hauptteils 41 angebracht. In der zuvor erwähnten Ausführungsform I ist der Endeffektor 5 an dem Hauptteil 41 befestigt, aber in diesem abgeänderten Beispiel ist der Endeffektor 5' drehbar an dem Hauptteil 41 angebracht. Und ein erstes Zahnrad 51 ist an einem oberen Ende des Endeffektors 5' befestigt, der sich durch das Hauptteil 41 durch erstreckt. Ein halbkreisförmiges zweites Zahnrad 44 ist mit dem ersten Zahnrad 51 in Eingriff und an der Seitenfläche von einem der Kopplungsteile 42 befestigt.
In diesem abgeänderten Beispiel dreht das Hauptteil 41 relativ zu den Kopplungsteilen 42, wenn das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 mit vier Freiheitsgraden durch geeignetes Steuern des Aktuators 2 bewegt wird. Dann wird der Endeffektor 5' relativ zu einem Hauptteil 41 gedreht, da das erste Zahnrad 51, das an dem Endeffektor 5' befestigt ist, mit dem an dem Kopplungsteil 42 befestigten zweiten Zahnrad 44 in Eingriff gerät. Hierbei wird der Drehbereich des Endeffektors 5' im Vergleich mit der beweglichen Platte 4 der Ausführungsform I weit ausgedehnt.
Somit erreicht der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieses abgeänderten Beispiels nicht nur im Wesentlichen die gleiche Auswirkung wie in der Ausführungsform I, sondern erreicht ebenfalls die Auswirkung den Endeffektor 5' innerhalb eines weiteren Drehbereichs zu drehen. Dieses abgeänderte Beispiel ist geeignet, als Materialhandhabungsroboter eingesetzt zu werden, da es oft erforderlich ist, dass sich ein Materialhandhabungsroboter um 180° dreht.
2. Ausführungsform II
(Konstruktion der Ausführungsform II)
Wie aus 15 ersichtlich ist, weist ein Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden in Übereinstimmung mit der Ausführungsform II der vorliegenden Erfindung eine Konstruktion auf, worin zwei der vier Parallelgestänge 3 der Ausführungsform I durch einzelne Stangen 3'' ersetzt sind. Die einzelnen Stangen 3'' sind bei den Gliedern von zwei der Arme 23 der Aktuatoren 2 und mit zwei Ecken einer beweglichen Platte 4'' gekoppelt. Ungleich der beweglichen Platte 4 der Ausführungsform I weist die bewegliche Platte 4'' die Drehpunkte 43 nicht auf und ist aus einem einstückigen Teil konstruiert. Um den Vergleich mit der beweglichen Platte 4 der zuvor erwähnten Ausführungsform I zu erleichtern, zeigt 15 die bewegliche Platte 4'' in der Form eines H. Jedoch ist die bewegliche Platte 4'' tatsächlich aus einer im Allgemeinen rechteckigen und hochsteifen Platte konstruiert.
In dem Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform sind nämlich zwei der Stangenteile Parallelgestänge 3, von denen jedes zwei parallele Stangen 31 aufweist, wie in dem Fall der Ausführungsform I. Die Endteile 32 bei beiden Enden von jedem Parallelgestänge 3 sind an dem Aktuator 2 bzw. der beweglichen Platte 4'' befestigt. Die Endteile 32 sind durch die Kardangelenke 33 an die Stangen 31 gekoppelt.
Andererseits ist jedes der anderen zwei Stangenteile ungleich dem Fall der Ausführungsform I als einzelne Stange 3'' konstruiert. Kugelgelenke 34 sind bei beiden Enden jeder Stange 3" bereitgestellt. Jede der Stangen 3'' ist an beiden Enden nämlich an der Extremität des Arms 23 des Aktuators 2 und dem Eckabschnitt der beweglichen Platte 4'' durch die Kugelgelenke 34 gekoppelt. Deswegen sind die Stangen 3'' frei von einem Moment wie z.B. einer Torsionsverformung. Es sind nämlich zuletzt nur entweder eine axiale Zugkraft oder eine axiale Druckkraft auf die Stangen 3'' aufgebracht. Somit weisen die Stangen 3'' eine ausreichend hohe Steifigkeit für eine Axialkraft auf.
(Betätigung und Auswirkung der Ausführungsform II)
In dem Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform bestimmten zwei der vier Stangenteile die zuvor erwähnten Parallelgestänge 3 und die anderen zwei sind die Stangen 3'', die frei von einem Moment sind und wegen der Kugelgelenke 34 zu einer Torsionsverschiebung in der Lage sind. Mit anderen Worten weisen die anderen beiden (die Stangen 3'') der vier Stangenteile einen Freiheitsgrad wie auch eine Torsionsbewegung auf.
Somit ist der aus den vier Stangenteilen und der beweglichen Platte 4'' ausgebildete Gelenkmechanismus ungleich dem Fall der zuvor erwähnten Ausführungsform I nicht statisch unbestimmt, sogar, obwohl die bewegliche Platte 4'' ein steifes, einstückiges Teil ist.
Falls die Positionen der Basisendabschnitte der vier Stangenteile bestimmt sind, sind die Positionen der Endabschnitte der Stangenteile in dem dreidimensionalen Raum ebenfalls einzeln bestimmt. Somit werden die Position und die Lage der beweglichen Platte 4'' ebenfalls einzeln bestimmt.
Als Ergebnis kann die bewegliche Platte 4'' aus einem einstückigen Teil konstruiert sein und zwei der vier Stangenteile sind einfache Stangen. Somit kann die Anzahl der Teile im Vergleich mit der zuvor erwähnten Ausführungsform I reduziert werden. Deswegen macht es der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform möglich, die Zuverlässigkeit bemerkenswert zu verbessern und außerdem die Kosten, insbesondere im Fall einer Massenfertigung, zu verringern.
Die Anzahl von Teilen, die durch den Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform erforderlich sind, ist klein. Somit erreicht der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform zusätzlich zu der Auswirkung der zuvor erwähnten Ausführungsform I nicht nur die Auswirkung, die Zuverlässigkeit bemerkenswert zu verbessern, sondern ebenfalls die Kosten im Fall einer Massenfertigung weiter zu verringern.
(Entsprechend abgeändertes Beispiel der Ausführungsform II)
Der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform kann ebenfalls in Übereinstimmung mit abgeänderten Beispielen realisiert werden, die im wesentlichen zu denen der Ausführungsform I identisch sind. Jedes dieser abgeänderten Beispiele macht es möglich, seine unverwechselbare Auswirkung zu erhalten. Da aber in der Ausführungsform II die bewegliche Platte 4'' die Drehpunkte 43 nicht aufweist und aus einem einstückigen Teil konstruiert ist, kann das abgeänderte Beispiel VI der Ausführungsform I nicht angewendet werden.
3. Ausführungsform III
(Konstruktion der Ausführungsform III)
Wie aus 16 ersichtlich ist, weist ein Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden gemäß der Ausführungsform III der vorliegenden Erfindung eine Basis 1, vier Aktuatorstangen 3, 3', die mit einem Ende mit der Basis 1 durch Kardangelenke 33 verbunden sind, und die auf eine gewünschte Länge ausgedehnt oder zusammengezogen werden können, und eine bewegliche Platte, deren vier Ecken mit den Aktuatorstangen 3, 3' bei dem anderen Ende durch Kardangelenke 33 gekoppelt sind, auf.
Soweit die Konstruktion der beweglichen Platte 4 betroffen ist, ist der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform mit dem der Ausführungsform I identisch. Jedoch unterscheidet sich der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform von dem der Ausführungsform I darin, dass Parallelgestänge, die aus Luftzylindern ausgebildete Stangen 31 aufweisen, anstelle der Aktuatoren 2 und der Parallelgestänge 3 an der Basis 1 der Ausführungsform I befestigt sind.
Der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform setzt vier Parallelgestänge als Aktuatorstangen ein. Jedes der Parallelgestänge weist ein Paar von Luftzylindern 31' auf, die sich parallel zueinander erstrecken. Jeder Luftzylinder 31' ist drehbar bei seinem oberen Endabschnitt mit einer vorbestimmten Position auf einer unteren Fläche der Basis durch ein Kardangelenk 33 verbunden. Andererseits, wie es mit den Stangen 31 der Parallelgestänge 3 der Ausführungsform I der Fall ist, ist jeder Luftzylinder 31' bei seinem unteren Endabschnitt mit einem der Endteile 32 drehbar gekoppelt, das an einem Ende des Kopplungsteils 42 der beweglichen Platte 4 durch das Kardangelenk 33 in einem vorbestimmten Winkel befestigt ist.
Die Steuervorrichtung 6 (s. 4) steuert synchron beide Luftzylinder 31' in jedem der Parallelgestänge derart, dass beide Luftzylinder 31' in einem gleichen Hub gehalten sind. Jeder Luftzylinder 31' ist mit einem Linearpotentiometer (nicht gezeigt) bereit gestellt, um dessen Hub zu erfassen.
Deswegen kann das Hauptteil 41 der beweglichen Platte 4 innerhalb von vier Freiheitsgraden verschoben werden, wie es mit der beweglichen Platte 4 der Ausführungsform I der Fall ist. Das Teil 41 kann nämlich in Längsbewegung in alle Richtungen verschoben werden und um die vertikale Achse gedreht werden.
(Betätigung und Auswirkung der Ausführungsform III)
Wie oben beschrieben wurde, erreicht der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform im wesentlichen den gleichen Betrieb und die gleiche Auswirkung wie die Ausführungsform I. Jedoch hängt die Positionierungsgenauigkeit der beweglichen Platte 4 stark von der Genauigkeit der Linearpotentiometer ab, die an den Luftzylindern 31' angebracht sind. Außerdem führt die Verwendung der Luftzylinder 31' unvermeidlich zu einer Steifigkeitsbeschränkung, obwohl das Einbringen einer Rückkopplungssteuerung für eine unzureichende Steifigkeit zu einem gewissen Ausmaß ausgleichen kann.
Nichts desto trotz ist in dieser Ausführungsform kein Aktuator an der Basis befestigt, und die Luftzylinder 31', die als Aktuatoren 2 und die Parallelgestänge der Ausführungsform I dienen, sind eingesetzt. Somit ist es möglich, die gesamte Struktur zu vereinfachen und eine wesentliche Reduktion in Größe und Gewicht zu erhalten. Da die Luftzylinder 31' nicht teure Aktuatoren sind, die in der Lage sind, mit hoher Geschwindigkeit zu arbeiten, ist es ausserdem möglich, die Betriebsgeschwindigkeit der beweglichen Platte 4 zu erhöhen und die Kosten weiter zu verringern.
Somit erreicht der Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform die Auswirkung, die Größe, das Gewicht du die Kosten wesentlich zu reduzieren, während die bewegliche Platte 4 mit vier Freiheitsgraden mit einer hohen Geschwindigkeit verschoben wird.
(Abgeändertes Beispiel I der Ausführungsform III)
Als abgeändertes Beispiel I dieser Ausführungsform ist es möglich, einen Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden zu realisieren, wobei jede Aktuatorstange aus einem Hydraulikzylinder und einem Parallelgestänge 3 zusammengesetzt ist.
In diesem abgeänderten Beispiel ist jede Aktuatorstange aus einem Hydraulikzylinder zusammengesetzt, der an seinem Basisende drehbar durch ein Universalgelenk 33 mit der Basis befestigt ist, und durch ein Parallelgestänge 3, das eines seiner Endteile 32 an der Extremität eines Kolbens des Hydraulikzylinders befestigt, aufweist.
In diesem abgeänderten Beispiel kann die bewegliche Platte 4 innerhalb von vier Freiheitsgraden positioniert und verschoben werden, wobei lediglich vier Hydraulikzylinder als Aktuatoren verwendet werden. Nebenbei weisen die Aktuatoren eine hohe Steifigkeit auf. Somit macht es dieses abgeänderte Beispiel möglich, im Wesentlichen die gleiche Betätigung und Auswirkung wie in der Ausführungsform I zu erhalten.
(Abgeändertes Beispiel II der Ausführungsform III)
Als abgeändertes Beispiel II dieser Ausführungsform ist es möglich, einen Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden zu realisieren, in dem die Montagewinkel der Endteile 32 der Parallelgestänge 3 geändert wurden, oder in dem die Kardangelenke 32 durch Kugelgelenke 34 ersetzt wurden.
In dem Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden dieser Ausführungsform und in seinem abgeänderten Beispiel 1 kann ebenfalls in Übereinstimmung mit den abgeänderten Beispielen entsprechend der Ausführungsform I und deren abgeänderten Beispiel I realisiert sein. Jedes dieser abgeänderten Beispiele ermöglicht es, im Wesentlichen die gleiche Betätigung und Auswirkung zu erhalten.
Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf das beschrieben wurde, was derzeit als bevorzugte Ausführungsformen von dieser betrachtet wird, ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Im Gegenzug ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung verschiedene Abänderungen und gleichwertige Anordnungen abdeckt.

Claims

Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden mit: einer Basis (1); und vier an der Basis befestigten Auslösern (2); dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem umfasst: vier Stangenteile (3,3',3'',3'''), von denen jedes zwei Parallelstangen umfasst, die ein Parallelgestänge (3) bestimmen, und von denen jede an einem Ende (32) mit einem beweglichen Abschnitt (23) der Auslöser (2) durch ein kinematisches Element (33) gekoppelt ist; und einer sich bewegenden Plattform (4), die ein Hauptteil (41) aufweist, dass als Teil dient, das innerhalb von vier Freiheitsgraden verschiebbar ist, und ein Paar von Kopplungsteilen (42), wobei die Kopplungsteile (42) entsprechend an das Hauptteil (41) gekoppelt und mit Bezug auf das Hauptteil (51) entsprechend beweglich sind, und die Gliedmaßen der Kopplungsteile (42) entsprechend mit den anderen Enden der Stangenteile (32) durch kinematische Elemente (33) gekoppelt sind; sodass zumindest ein Teil der sich bewegenden Plattform (4) innerhalb von vier Freiheitsgraden verschiebbar ist, die durch Linearbewegung entlang von drei rechtwinkligen Achsen und einer Drehachse um eine vorbestimmte Achse definiert sind.
Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden mit einer Basis (1), dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem umfasst: vier Auslöserstangen (3'''), von denen jede an einem Ende (32) durch ein kinematisches Element (33) an der Basis (1) befestigt ist; und die auf eine gewünschte Länge ausgefahren oder zusammengezogen werden können, einer sich bewegenden Plattform (4), die ein Hauptteil (41) aufweist, dass als Teil dient, das innerhalb von vier Freiheitsgraden verschiebbar ist, und ein Paar von Kopplungsteilen (42), wobei die Kopplungsteile (42) entsprechend an das Hauptteil (41) gekoppelt und mit Bezug auf das Hauptteil (51) entsprechend beweglich sind, und die Gliedmaßen der Kopplungsteile (42) entsprechend mit den anderen Enden der Auslöserstangen durch kinematische Elemente (33) gekoppelt sind; sodass zumindest ein Teil der bewegenden Plattform (4) innerhalb von vier Freiheitsgraden verschiebbar ist, die eine Linearbewegung entlang von drei rechtwinkligen Achsen und einer Drehung um eine vorbestimmten Achse sind.
Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Auslöserstange zwei Parallelstangen umfasst, die ein Parallelgestänge bestimmen.
Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsteile (42) entsprechend drehbar an das Hauptteil (41) gekoppelt sind.
Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass falls eine vorbestimmte Richtung um die Achse der Drehbewegung als Bezugsrichtung definiert ist, Richtungen der Stangenteile (32), oder der Auslöserstangen (3'''), die an die beweglichen Plattform (4) gekoppelt sind, als eine der folgenden Kombinationen in einer Drehrichtung bestimmt sind: eine Kombination aus 0°, 90°, 225° und 315°; einer Kombination von 0°, 180°, 225° und 315°; einer Kombination von 45°, 180°, 180° und 315°; einer Kombination von 0°, 135°, 180° und 315°; einer Kombination von 0°, 90°, 180° und 270°.
Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden nach einem der Ansprüche 1 bis 5, außerdem mit: einem an dem Hauptteil (41) drehbar um die vorbestimmte Achse angebrachten Endeffektor (5); einem an dem Endeffektor (5) und mit den Endeffektor (5) gedrehten ersten Zahnrad (51); und einem an dem Kopplungsteil befestigten und mit dem ersten Zahnrad (51) in Eingriff befindlichen zweiten Zahnrad (44); wobei: der Endeffektor (5) um die vorbestimmte Achse relativ zu dem Hauptteil (41) durch eine Bewegung des Hauptteils (41) relativ zu dem Kupplungsteil (42) gedreht wird.
Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden mit: einer Basis (1); und vier Auslösern (2), die an der Basis befestigt sind; dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem umfasst: vier Stangenteile (3, 3', 3'', 3'''), von denen zwei zwei Parallelstangen enthalten, die ein Parallelgestänge bestimmen, und die zwei anderen Stangenteile aus einer Stange (3'') konstruiert sind, und jedes der vier Stangenteile bei einem Ende (32) an einen beweglichen Abschnitt (23) der Auslöser (2) durch ein kinematisches Element (33) gekoppelt ist; und eine sich bewegende Plattform (4), die an den anderen Enden (32) der Stangenteile durch kinematische Elemente (33) gekoppelt ist; sodass zumindest ein Teil der sich bewegenden Plattform (4) innerhalb von vier Freiheitsgraden verschiebbar ist, die durch Linearbewegungen entlang drei rechtwinkliger Achsen und einer Drehung um eine vorbestimmte Achse definiert sind.
Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das kinematische Element (33) zumindest ein Kardangelenk oder ein Kugelgelenk ist.