DE60203544T2

DE60203544T2 - Gelenkmechanismus mit einer seilgetriebenen untersetzungsvorrichtung für einen roboterarm

Info

Publication number: DE60203544T2
Application number: DE60203544T
Authority: DE
Inventors: Florian Gosselin; Alain Riwan; Dominique Ponsort
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2022-11-16
Also published as: US20040250644A1; JP4181995B2; EP1463612B1; US7281447B2; ATE291993T1; CA2466893A1; FR2832345A1; WO2003043790A2; FR2832345B1; DE60203544D1; EP1463612A2; WO2003043790A3; AU2002358901A1; JP2005509536A

Description

Der Gegenstand dieser Erfindung ist ein Gelenkmechanismus, der vor allem eine seilgetriebene Untersetzungsvorrichtung umfasst und zu einem Roboterarm gehören kann.
Als Roboter bezeichnet man ganz allgemein steuerbar verformbare Strukturen, die bestimmte Arbeiten ausführen können, sowie Master-Manipulatorarme, betätigt durch einen Operator, um durch mechanische Übertragungen oder mittels Informatikschnittstellen Befehle an einen die Bewegungen des Master-Manipulatorarms reproduzierenden Slave-Manipulatorarm oder eine virtuelle Umgebung zu übertragen.
Mehrere konzeptionelle Zwänge schränken die Roboter und insbesondere die Master-Manipulatorarme ein. Zunächst einmal muss der Operator eines Master-Manipulatorarms das Gefühl haben, den Slave-Manipulatorarm direkt zu betätigen, vor allem dann, wenn dieser arbeitet: die Kräfte, denen der Slave-Manipulatorarm ausgesetzt ist, müssen also in dem Master-Manipulatorarm mit ausreichender Genauigkeit reproduziert werden. Die Verbindungen zwischen den verschiedenen Teilen des Roboters, vor allem Gelenke, dürfen nur wenig Spiel aufweisen und müssen genaue Kraftübertragungselemente mit geringer Trägheit und wenig Reibung umfassen, die aber leicht blockierbar sind. Schließlich sollten die Roboter so leicht wie möglich sein, und dieses möglichst geringe Eingewicht sollte gut verteilt sein, so dass es die Steuereinrichtungen des Roboters nur mäßig belastet, die dazu dienen, ihn zu verschieben oder – umgekehrt – ihn mittels statischer Kräfte in einem stabilen Zustand zu halten.
Die zum Steuern benutzten Einrichtungen sowie die Gelenke oder die anderen Verbindungen des Roboters umfassen vor allem Motoren, die zu den schwersten Bauteilen der Roboter gehören. Es ist gängige Praxis, sie möglichst auf Grundplatten oder tiefen Teilen des Roboters anzuordnen, um die für ihre Anhebung oder Verschiebung nötigen Momente zu reduzieren oder zu eliminieren. Dies macht dann eine geeignete Kraftübertragung zwischen dem Motor und dem durch ihn angetriebenen Organ des Roboters erforderlich, die auch die Reduzierung der Winkelgeschwindigkeit des Motors gewährleistet. Dies ist einfach, wenn das Organ direkt mit der Grundplatte verbunden ist; wenn es aber über ein anderes Organ mit der Grundplatte verbunden ist, das mit der Grundplatte beweglich verbunden ist und folglich einen weiteren Freiheitsgrad einführt, ist es sehr viel schwieriger, eine geeignete Kraftübertragung zu konzipieren, da die Lagen bzw. Stellungen, die das Organ in Bezug auf die Grundplatte einnehmen kann, sehr viel komplexer sein können.
Unter den Krafübertragungselementen, die man vorschlagen kann, befinden sich die zwischen der Motorwelle und einem Befestigungsteil des angetriebenen Organs gespannten Seile. Derartige Kraftübertragungselemente findet man bei den Master-Slave-Telemanipulatorarmen, wo die Seile aber den Nachteil haben, auf Kosten der Steifigkeit der Kraftübertragung lang zu sein und komplexe Wege zu durchlaufen, was Kopplungen zwischen den Bewegungen der verschiedenen Teile des Roboters zur Folge hat. Dies ist auch bei dem in dem Dokument FR 7 825 413 beschriebenen Manipulatorarm der Fall.
Die zwischen zwei nicht direkt miteinander verbundenen Teilen des Roboters angeordneten Kraftübertragungsseile müssen normalerweise mittels Rollen gespannt werden, die auf Zwischenorganen befestigt sind. Es tritt dann das Problem auf, dass die Abstände zwischen ihren Befestigungspunkten auf dem Motor, den Zwischenorganen und dem durch sie angetriebenen Organ sich im Allgemeinen verändern, was zu einer Veränderung der Seilspannung durch Elastizität führt, mit dem Nachteil, dass die Steifigkeit des Roboters modifiziert wird. Dieser Nachteil wird noch verstärkt, wenn der Roboter ein manuell verschiebbarer Master-Manipulatorarm ist und der Motor ein Kraftrückwirkungsmotor ist, denn der Operator empfindet dann den mechanischen Widerstand, den der Arm ihm entgegensetzt und der mit der Verschiebung variiert, als störend.
Ein wesentliches Element der vorliegenden Erfindung ist ein verbesserter Untersetzungs-Seilantrieb. In seiner allgemeinsten Form betrifft er einen gelenkigen Mechanismus, der zu einem Roboterarm gehören kann. Dieser Mechanismus umfasst eine Grundplatte, einen auf der Grundplatte um eine erste Achse drehbaren Träger und ein an dem Träger um eine zweite, zu der ersten Achse nicht parallele Achse schwenkbares Organ, sowie eine Betätigungseinrichtung zum Schwenken des Organs, wobei diese Betätigungseinrichtung einen auf die Grundplatte montierten Motor umfasst. Der genannte Mechanismus ist dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung außerdem ein Seil umfasst, das über eine Welle des Motors, über zwei an einem Schenkel der Grundplatte befestigte lose Rollen und über eine mit dem Organ verbundene Rolle läuft, wobei die losen Rollen im Wesentlichen die erste Achse tangieren, dass das Seil ein Paar von zwei Strängen umfasst, die sich gegenseitig verlängern und kolinear sind zur ersten Achse, dass die losen Rollen und die Organ-Rolle so angeordnet sind, dass die genannten Stränge des Paars sich jeweils zwischen der Organ-Rolle und einer der tosen Rollen erstrecken.
Indem man ein Paar sich gegenseitig verlängernder Seilstränge vorsieht, die kolinear zur ersten Achse sind, ist gewährleistet, dass die Dehnung und die Spannung des Seils nur wenig modifiziert werden, wenn der Zwischenträger sich um die erste Achse dreht.
Perfektionierte Konzeptionen des Mechanismus ermöglichen, diese unerwünschte Dehnung noch zu reduzieren.
Nach bestimmten vorteilhaften Charakteristiken der Erfindung ist die Motorwelle senkrecht zu den Rotationsachsen der beiden losen Rollen, zwischen denen und der Motorwelle das Seil zwei geradlinige Stränge bildet, und es existiert eine lineare Kraftübertragung zwischen der Motorwelle und dem Seil.
Eine komplexere Form der Erfindung betrifft einen gelenkigen Mechanismus, der zu einem Roboterarm gehören kann und eine Grundplatte sowie einen auf der Grundplatte um eine erste Achse drehbaren Träger umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass er zwei Rollen zur Steuerung eines Arms durch einen Verbindungsmechanismus und zwei Betätigungseinrichtungen der Steuerrollen umfasst, wobei jede der Betätigungseinrichtungen einen an der Grundplatte befestigten Motor umfasst und ein Seil, das über eine Welle des Motors, über zwei an einem Schenkel der Grundplatte befestigte lose Rollen und über eine der Steuerrollen läuft, dass die losen Rollen im Wesentlichen die erste Achse tangieren, dass die losen Rollen und die Steuerrollen so angeordnet sind, dass die Seile Paare sich im Wesentlichen gegenseitig verlängernder Stränge bilden, die kolinear sind zur ersten Achse und sich jeweils zwischen einer der Steuerrollen und einer der losen Rollen erstrecken; dass der Verbindungsmechanismus vorteilhafterweise ein mit einer der Steuerrollen starr verbundenes Organ und eine mit der anderen Steuerrolle gelenkig verbundene Kurbelstange umfasst, wobei der Arm an der Kurbelstange und an dem Organ angelenkt ist; dass die Steuerrollen parallel sind.
Die 1, 2 und 3 betreffen drei Realisierungen der Erfindung, und die 4 ist eine komplexere Anordnung, die eine sehr vorteilhafte Anwendung der Erfindung ermöglicht.
Die drei bevorzugten Realisierungsarten, die nun sukzessive beschrieben werden, die aber immer noch perfektioniert werden, umfassen bestimmte gemeinsame Bauteile, die man in der 1 sieht, nämlich eine Grundplatte 1, die beweglich sein kann oder nicht, einen auf die Grundplatte 1 montierten Träger 2, drehbar um eine entsprechend einer ersten Achse Y ausgerichteten Schwenkachse 3, und ein auf einen Arm 6 des Trägers 2 montiertes Organ 5, schwenkbar um eine zweite Achse Z. Die Achsen Y und Z bleiben hier immer senkrecht zueinander, trotz der möglichen Bewegungen des Trägers 2 und des Organs 5; bei anderen Realisierungen sind sie einfach nicht parallel. Ein erster Motor 8 versetzt den Träger 2 in Drehung mittels eines elementaren Antriebs, gebildet durch ein Ritzel 9 auf der Abtriebswelle 10 des Motors 8 und einen Zahnkranz 11, ausgebildet auf dem Umfang des Trägers 2.
Ein zweiter Motor 12 treibt das Organ 5 an. Wie der erste Motor 8 ist er auf der Grundplatte 1 befestigt und kann folglich das Organ 5 nur mittels einer komplizierteren Übertragung antreiben. Während die vorhergehende Übertragung anstatt eines Getriebes einen Riemen, ein Seil usw. umfassen konnte, empfiehlt es sich, dass die Verbundübertragungseinrichtung 13 zwischen dem zweiten Motor 12 und dem Organ 5 vor allem ein Seil 14 umfasst, das gespannt ist zwischen einer Antriebsrolle 15, die auf der Abtriebswelle 16 des Motors 12 sitzt, zwei losen Rollen 17 und 18, befestigt an einem Schenkel 19 der Grundplatte 1 mittels Drehzapfen 20 bzw. 21, und einer fest und starr mit dem Organ 5 verbundenen angetriebenen Rolle 22. Das Seil 14 umschlingt die angetriebene Rolle 22 mit einer Teilumwicklung, die ausreichend groß ist, um den gewünschten Ausschlag zu erreichen, und die Antriebsrolle 15 mit mehren Windungen, so dass das Seil nicht gleitet. Die Drehzapfen 20 und 21 der losen Rollen 17 und 18 sind senkrecht zu der ersten Achse Y und erstrecken sich mit geringem Abstand von ihr, so dass das zwischen der angetriebenen Rolle 22 und jeder der losen Rollen 17 und 18 gespannte Seil ein Paar Stränge 23 und 24 bildet, die sich im Wesentlichen gegenseitig verlängern und mit der ersten Achse Y zusammenfallen.
Die Drehung des Trägers 2 um die erste Achse Y verändert die Position der Stränge 23 und 24 nur sehr wenig und hat daher kaum einen Einfluss auf die Spannung des Seils 14, was das angestrebte Ziel ist. Man sieht, dass das Seil 14 die Antriebsrolle 15 mit mehreren Windungen umschlingt, so dass die Reibung ausreicht, um das Seil effizient anzutreiben. Dadurch sind die Stränge 25 und 26 des Seils 14, die zu den entsprechenden losen Rollen 17 und 18 führen, nicht koplanar. Es ist also vorteilhaft, die Position der losen Rollen 17 und 18 mittig den Ebenen anzupassen, die durch die Stränge 23 und 25 oder 14 und 24 gebildet werden.
Das führt aber dazu, dass die Achsen der Drehzapfen 20 und 21 nicht parallel sind, was nachteilig sein kann.
Die Realisierung der 2 unterscheidet sich von der vorhergehenden durch die Position des zweiten Motors sowie durch die Form des Seils, womit der oben genannte Nachteil vermieden wird. Die Bauteile entsprechen denen der ersten Realisierung, wobei diejenigen, bei denen die Beschreibung ergänzt oder vervollständigt werden muss, eine um 100 erhöhte Bezugszahl tragen.
Das Seil 14 wird nun zwischen zwei zusätzlichen losen Rollen 30 und 31 gespannt, angeordnet zwischen der Welle 116 des Motors 112 und jeweils den schon vorher vorhandenen losen Rollen 17 und 18. Zusammen bilden sie ein Rechteck zwischen der Antriebsrolle 115 und der angetriebenen Rolle 22.
Diese Anordnung ist dann sinnvoll, wenn der Motor 112 so ausgerichtet ist, dass seine Welle 116 zu der zweiten Achse Z, wenn diese der Konfiguration der 2 entspricht, sowie zu der ersten Achse Y, und wenn seine Rolle 115 im Wesentlichen die Ebene tangiert, die durch die zusätzlichen losen Rollen 30 und 31 verläuft: die Stränge 32 und 33 des Seils 14 zwischen den zusätzlichen losen Rollen 30 und 31 und der Antriebsrolle 115 sind dann im Wesentlichen ebenso koplanar wie außerdem der Rest des Seils 114, das geradlinig gespannt in den Rillen der losen Rollen 17, 18, 31 und 32 sitzt.
Zurückkehrend zu der 1 sieht man, wie die Drehung der Motorwelle 16 dazu führt, dass die Windungen der Wicklung auf der Rolle 115 auf der einen Seite aufgewickelt und auf der anderen Seite abgewickelt werden; das heißt, dass die aus den Seilwindungen bestehende Wicklung sich in der Y-Richtung oder längs der Motorwelle 16 verschiebt. Daraus resultiert, dass die Spannung des Seils 114 variiert und dadurch verhindert wird, dass man das angestrebte Ziel hundertprozentig erreicht. Diese Restdehnung des Seils 114 existiert bei der Realisierung der 2 immer noch, da aber das Seil 114 im Wesentlichen nicht in der Ebene verschoben wird, in der es sich erstreckt, erzielt man dennoch eine bessere Betriebsstabilität des Mechanismus.
Dieser Restdehnung des Seils kann man durch die Anordnung der 3 vorbeugen, die sich von der vorhergehenden dadurch unterscheidet, dass das Seil (hier 214) nicht mehr auf eine Antriebsrolle gewickelt wird, sondern an einer Zahnstange bzw. Stange 40 befestigt wird, die mit einem zusätzlichen Seil 41 verbunden ist, das um ein Rolle 215 der Motorwelle 216 gewickelt ist. Bei einem solchen System verschiebt die Drehung der Motorwelle 126 die Stange 40 linear (vertikal) und lässt das Seil 214 auf sich selbst gleiten, ohne jede Veränderung seiner Form; die Verformungen, die aus der Verschiebung der aus den Windungen bestehenden Wicklung resultierenden Deformierungen werden von dem zusätzlichen Seil 41 aufgenommen bzw. absorbiert. Bei dieser Ausführung hängt die Spannung des Seils 214 noch weniger von Bewegungen des Trägers 2 oder des Organs 5 ab.
Festzustellen ist, dass andere lose Rollen hinzugefügt werden können, wenn der Antriebsmotor 12, 112 oder 212 in einer anderen, weiter von dem Organ entfernten Position angeordnet werden muss. Ebenso könnten die zusätzlichen losen Rollen von ungerader Anzahl sein. Auch könnten die losen Rollen auf dem Bauteil 2 angeordnet werden, um die Drehachse Z des Bauteils 5 in eine andere Lage oder Ausrichtung zu bringen.
Bisher wurde die Erfindung für einen Master-Manipulatorarm mit Kraftrückwirkungsmotoren beschrieben. Sie könnte auch bei Robotern mit durch diese selben Motoren gesteuerten Verschiebungen bzw. Bewegungen angewendet werden.
Einen gelenkigen Roboterarmaufbau mit dem vorhergehenden Mechanismus kann mit Hilfe der 4 beschrieben werden.
Es handelt sich tatsächlich um eine Weiterentwicklung der Realisierung der 1, bei der man zusätzlich zu dem Organ 5, dem zweiten Motor 12 usw. einen analogen Mechanismus vorfindet, der einen dritten Motor 60 mit einer Abtriebswelle 61 und einer Antriebsrolle 62, zwei lose Rollen 66 und 67 und eine angetriebene Rolle 65, die sich parallel zu der vorhergehenden Rolle 22 um die zweite Achse Z dreht, umfasst. Zwischen der Antriebsrolle 62 und der angetriebenen Rolle 65 ist ein Seil 63 gespannt, das über die losen Rollen 66 und 67 läuft, die jeweils den losen Rollen 17 und 18 des anderen Mechanismus benachbart sind. Die Stränge 70 und 71 des die losen Rollen 66 und 67 mit der Rolle 65 verbindenden Seils 63 fallen im Wesentlichen zusammen mit der zweiten Achse Y. Die Seile 14 und 63 befinden sich in Ebenen, die miteinander einen spitzen Winkel bilden, um die auf dieselbe Grundplatte 1 montierten Motoren 12 und 60 etwas voneinander zu entfernen.
An der angetriebenen Rolle 65 kann eine Kurbelstange 68 angelenkt sein. Dieser Mechanismus des Typs Parallelogramm könnte auch mit Seilen realisiert werden. Dazu müssen ein oder mehrere Seilstränge auf Rollen fixiert werden, die mit den Bauteilen 65 und 69 verbunden sind und deren Achsen jeweils durch die Achse Z und die Verbindungsachse der Bauteile 5 und 69 verlaufen. Man sieht, dass die Verschiebungen des Arms 69 in einer vertikalen Ebene durch gemeinsame Bewegungen der Motoren 12 und 60 gesteuert werden können, welche die beiden angetriebenen Rollen 22 und 65 unabhängig in Drehung versetzen, und dass der Motor 8 ermöglicht, die Position der Schwenkebene des Arms 69 zu modifizieren. Die beiden durch die Motoren 12 und 60 gesteuerten Übertragungssysteme profitieren beide beinahe vollkommen von den Vorteilen der Erfindung aufgrund der Nähe der Seilstränge 14 und 63, die den angetriebenen Rollen 22 und 65 und der Achse Y benachbart sind. Man sieht, dass das Ende des Arms 69 alle Positionen im Raum einnehmen kann, während die drei Motoren, die diese Positionen steuern, alle an der Grundplatte 1 befestigt sind und eine kompakte Einheit bilden. Der Platzbedarf eines solchen Roboters ist gering, der Arm 69 ist nackt bzw. unbestückt und die Motoren sind in einem unbeweglichen (oder weniger beweglichen) Teil der Grundplatte des Roboters vereinigt; und das Organ 5, die Kurbelstange 68 und der Arm 69 müssen nicht die durch das Gewicht der Motoren erzeugten Kräfte aushalten und können leichter konstruiert werden. Um einen Roboter mit sechs Freiheitsgraden zu erhalten, kann man dem Roboter der 4 zum Beispiel einen Griff hinzufügen.

Claims

Gelenkmechanismus, der zu einem Roboterarm gehören kann und der eine Grundplatte (1), einen auf der Grundplatte um eine erste Achse (Y) drehbaren Träger (2) und ein auf dem Träger (2) um eine zur ersten Achse nicht-parallele zweite Achse (Z) schwenkbares Organ bzw. Bauteil (5) sowie eine Betätigungseinrichtung dieses Bauteils umfasst, um es zu drehen, wobei diese Betätigungseinrichtung einen an der Grundplatte befestigten Motor (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung außerdem ein Seil (14) umfasst, gespannt zwischen einer Welle (16) des Motors, einem an einen Grundplattenschenkel (19) montierten Paar loser Rollen (17, 18) und einer mit dem Organ verbundenen Rolle (22), wobei die losen Rollen (17, 18) im Wesentlichen die erste Achse tangieren und diese losen Rollen (17, 18) und die Organ-Rolle so angeordnet sind, dass das Seil zwischen jeweils der Organ-Rolle und jeder der losen Rollen ein Paar Stränge (23, 24) bildet, die im Wesentlichen sich gegenseitig verlängern und kolinear sind zur ersten Achse.
Gelenkmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er weitere lose Rollen (30, 31) umfasst, wobei das Seil zwischen der Motorwelle und der Organ-Rolle gespannt ist und dabei zwei Zweige bildet, die über zwei zusätzliche Gruppen loser Rollen laufen.
Gelenkmechanismus nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle des Motors (116, 216) senkrecht ist zu zweien der losen Rollen, zwischen denen und der Motorwelle das Seil zwei geradlinige Stränge bildet.
Gelenkmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Linearbewegungsübertragungseinrichtung (40) zwischen der Motorwelle und dem Seil umfasst
Gelenkmechanismus, der zu einem Roboterarm gehören kann und der eine Grundplatte (1) und einen auf der Grundplatte um eine erste Achse (Y) drehbaren Träger (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Steuerrollen (22, 65) eines armartigen Bauteils (69) mittels eines Verbindungsmechanismus (5, 68) sowie zwei Betätigungseinrichtungen der Steuerrollen aufweist, wobei jede der Betätigungseinrichtungen umfasst: einen auf der Grundplatte befestigten Motor (12, 60) und ein Seil (14, 63), gespannt zwischen einer Motorwelle (16, 61), einem an einen Grundplattenschenkel (19) montierten Paar loser Rollen (17, 18, 66, 67) und einer der Steuerrollen (22, 65), wobei die losen Rollen im Wesentlichen die erste Achse tangieren und diese losen Rollen und die Steuerrollen so angeordnet sind, dass die Seile Paare von Strängen (23, 24; 70, 71) bilden, die im Wesentlichen sich gegenseitig verlängern und kolinear sind zur ersten Achse (Y) und von denen sich jeder zwischen einer der Steuerrollen (22, 65) und einer der losen Rollen (17, 18; 66, 67) erstreckt.
Gelenkmechanismus nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile (14, 63) sich im Wesentlichen in Ebenen erstrecken, die miteinander einen spitzen Winkel bilden.
Gelenkmechanismus nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsmechanismus ein mit einer der Steuerrollen (22) starr verbundenes organartiges Bauteil (5) und eine an der anderen Steuerrolle (65) angelenkte Kurbelstange (68) umfasst, wobei das armartige Bauteil (69) an der Kurbelstange und an dem organartigen Bauteil angelenkt ist, die Steuerrollen parallel sind und sich um eine zur ersten Achse (Y) nicht-parallele zweite Achse (Z) drehen.
Gelenkmechanismus nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelstange (68) durch einen oder mehrere Stränge von Seilen ersetzt wird, die an Rollen befestigt sind, die mit den Bauteilen (5 und 69) verbundenen sind und deren Achsen jeweils in der Achse (Z) und in der Verbindungsachse der Bauteile (5 und 69) verlaufen, und die die Übertragung der Bewegung der Steuerrolle (65) zum Bauteil (69) realisieren.
Gelenkmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Achse (Y) und die zweite Achse (Z) rechtwinklig sind.