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Die Erfindung betrifft eine Gewichtsausgleichsvorrichtung
für den Arm eines Roboters oder dergleichen, der für eine
Drehung um eine Achse, insbesondere um eine horizontale
Achse, angelenkt ist.
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Es sind bereits Gewichtsausgleichsvorrichtungen dieser Art
bekannt, die dazu dienen, Drehmomente auszugleichen, die
durch Gewichtskräfte erzeugt werden, die auf einen
Roboterarm wirken, der für eine Drehung um eine horizontale Achse
angelenkt ist. So wird erreicht, daß die Energie der
Einheit zum Antrieb des Armes auch nur zum Antrieb desselben
verwendet wird.
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Die Ausgleichsvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik
hatten den gewichtigen Nachteil, daß sie nur teilweise
ausgleichend wirkten und es nicht ermöglichten, die
Gewichtskraftmomente exakt zu kompensieren. Dieses vermochten
sie insbesondere deswegen nicht, weil diese Momente als
Funktion der Winkelposition des Roboterarms in Bezug auf
die Vertikale veränderlich sind.
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Eine Gewichtsausgleichsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, die diesen Nachteil beseitigt, ist in der
FR-A 2 565 153 beschrieben.
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Die Ausgleichsvorrichtung des oben erwähnten Patentes
umfaßt ein starres Hilfsstück, das an einer zweiten Achs
angelenkt ist, die parallel zu der des Roboterarms
ausgerichtet ist, wobei dieses Stück zwei transversale Arme
umfaßt, die sich auf beiden Seiten der zweiten Achse
erstrecken und bezüglich dieser zweiten Achse symmetrische
Enden aufweisen, wobei diese Enden geeignet sind, sich
gegen einen geraden Abschnitt eines für eine
Translationsbewegung beweglichen Elementes abzustützen, welches einer
in Richtung seiner Ausgangsposition wirkende Rückholkraft
unterliegt, die proportional zum Abstand zwischen dieser
Ausgangsposition und der von den beweglichen Element
angenommenen Position ist, sowie Antriebseinheiten zur Drehung
des besagten Hilfsstückes um diese zweite Achse mit einer
Winkelgeschwindigkeit, die in ihrem absoluten Wert gleich
der Hälfte derjenigen des Roboterarms entspricht.
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Bei dieser bekannten Ausgleichsvorrichtung ist diese
Einheit in einer solchen Weise in ihrem Winkel
festgestellt, daß, wenn der Roboterarm vertikal ausgerichtet ist,
sich die beiden Enden der transversalen Arme gleichzeitig
auf den geraden Abschnitt abstützen, der sich in der
Ausgangsposition befindet, wobei das bewegliche Element
keinerlei Rückholkraft unterworfen ist und wobei die
Proportionalitätskonstante
zwischen der Rückholkraft und der
Amplitude der Verschiebung des beweglichen Elementes und
der Abstand der zweiten Achse von dem Ende der
transversalen Arme dergestalt vorbestimmt ist, daß der gewünschte
Ausgleich gewährleistet ist.
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Obwohl es diese bekannte Anordnung gestattet, den Arm und
dessen Gewicht in richtiger und vollständiger Weise
unabhängig von dessen Winkelposition auszugleichen, weist sie
doch einige Nachteile auf.
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Zu allererst benötigt diese Einrichtung eine genaue
Führung, um die Translationsbewegung des beweglichen Elementes
zu gewährleisten.
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Darüberhinaus ist die Abstützkraft, die durch das
Hilfsstück auf den geraden Abschnitt des beweglichen Elementes
ausgeübt wird, außer in der genannten Ausgangsposition in
allen anderen Positionen des beweglichen Elementes in Bezug
auf die Achse der Translationsbewegung des beweglichen
Elementes fliegend gelagert. Daher besteht die Gefahr des
Blockierens der Vorrichtung und dies um so mehr, desto
größer die Rückholkraft ist, der das bewegliche Element
ausgesetzt wird. Darüberhinaus kann die Erhöhung der zum
Ausgleich eingesetzten Kräfte zu einer Vergrößerung der
Länge der transversalen Arme des Hilfsstückes führen,
woraus sich in der Konsequenz ergibt, daß die fliegende
Lagerung und damit auch die Gefahr des Blockierens des
beweglichen Elementes bei der Translationsbewegung erhöht
wird. Daher ist die Ausgleichsvorrichtung von ihrer
Konzeption her in dem Drehmoment begrenzt, welches maximal
ausgeglichen werden kann.
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Darüberhinaus erfordert die bekannte Einrichtung zur
Ausübung dieser Rückholkraft Elemente, wie zum Beispiel
Kompressionsfedern, die um so größer und raumgreifender
ausgestattet sind, desto höher die zu bewirkende Rückholkraft
ist.
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Es muß ebenfalls angemerkt werden, daß die bekannte
Einrichtung einen großen Platzbedarf aufweist und es daher
schwierig ist, diese in einer Anordnung mit einem
Roboterarm einzubringen, weil auch häufig das zur Verfügung
stehende Volumen begrenzt ist.
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Schließlich benötigt die bekannte Ausgleichsvorrichtung
eine Abänderung des Roboterarms, um entsprechend eingesetzt
zu werden.
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Desweiteren ist nach der Druckschrift "IBM technical
disclosure bulletin", Vol. 24, Nr. 9, Februar 1982, New-
York, USA, Seiten 4497 bis 4499, gemäß Brenneman eine
Ausgleichsvorrichtung bekannt, die gemäß demselben Prinzip
wie das vorgenannte Patent arbeitet und die zwei
Hilfsstücke anstelle eines einzigen Hilfsstückes aufweist. Diese
Hilfsstücke drehen sich im selben Drehsinn und umfassen
jeweils einen Arm, der eine Walze trägt.
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Diese Ausgleichsvorrichtung weist dieselben Nachteile wie
die Einrichtung nach dem vorgenannten Patent auf und
benötigt insbesondere Führungsmittel, um eine Gefahr des
Blockierens oder des Verklemmens auszuschließen.
Darüberhinaus begrenzt der Stiftarm von jedem der Hilfsstücke den
Bewegungswinkel des Roboterarmes oder dergleichen, für den
die Vorrichtung vorgesehen ist.
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Daher liegt ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine
Ausgleichsvorrichtung der in den beiden vorgenannten
Dokumenten beschriebenen Art zu schaffen, die es gestattet, die
Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
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Es ist daher insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine
derartige Ausgleichsvorrichtung zu schaffen, die keine
genau justierten Führungsmittel für das bewegliche Element
in dieser Translationsbewegung benötigt und bei der die
Gefahr des Blockierens nicht besteht.
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Darüber hinaus liegt ein Ziel der Erfindung darin, eine
solche Ausgleichsvorrichtung zu schaffen, die einen
geringeren Platzbedarf aufweist und darüberhinaus leicht für
einen Roboterarm anpaßbar ist, ohne daß es notwendig ist,
letzteren zu verändern oder umzubauen.
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Schließlich liegt ein Ziel der Erfindung darin, eine
solche Ausgleichsvorrichtung zu schaffen, mit der große
Drehmomente ausgleichbar sind, bei der ein geringer
Platzbedarf für diese Vorrichtung beibehalten wird und bei der
die Eigenspannung der Vorrichtung so weit wie möglich
vermindert wird.
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Die Ausgleichsvorrichtung oder
Kraftkompensationsvorrichtung, insbesondere zum Ausgleich der Gewichtskraft, für
einen Roboterarm oder dergleichen, der für eine Drehung um
eine Achse, insbesondere um eine horizontale Achse,
angelenkt ist, ist bei der Erfindung gemäß der in der
Einleitung beschriebenen und genannten Art ausgestaltet.
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Gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist die Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein weiteres
starres Hilfsstück umfaßt, um eine gerade Anzahl von
Hilfsstücken zu bilden, die jeweils um Achsen angelenkt sind,
die zueinander parallel und koplanar sind und die beide
transversale Arme stützen, mit Synchronisationsmitteln, die
geeignet sind, die besagten Hilfsstücke mit
Winkelgeschwindigkeiten zu drehen, die in ihrem absoluten Wert gleich
sind, aber die jeweils paarweise zueinander in
entgegengesetzter Drehrichtung stehen, wobei mindestens ein
Hilfsstück mit der besagten Einheit zum Drehantrieb verbunden
ist, und die Einheit dergestalt befestigt ist, daß, wenn
der Roboterarm in einer Position ist, in der ein auf die
Anlenkachse des Armes durch die vorgenannten Kräfte
wirkendes resultierendes Drehmoment Null ist, die Enden der
transversalen Arme von allen Hilfsstücken sich gleichzeitig
auf den geraden Abschnitt in dessen Ausgangsposition
stützen und daß der gerade Abschnitt des beweglichen Elementes
der Wirkung der Rückholmittel unterworfen wird, die eine
Rückholkraft ausüben, deren Resultierende im wesentlichen
koaxial zu der Resultierenden der Abstützkräfte der Enden
der transversalen Arme ist.
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Das bewegliche Element ist in dieser Ausgangsposition
keinerlei Rückholkraft ausgesetzt, wobei die
Proportionalitätskonstante zwischen der Rückholkraft und der Amplitude
der Verschiebung des beweglichen Elementes und der Abstand
von jeder der zweiten Achsen von dem Ende der transversalen
Arme dergestalt ausgewählt und vorbestimmt sind, daß der
Ausgleich gewährleistet ist.
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So üben die Hilfsstücke eine Abstützkraft auf den geraden
Abschnitt des beweglichen Elementes aus, deren
Resultierende sich in der Verschiebungsachse des beweglichen
Elementes befindet, wobei dies vollkommen unabhängig von der
Länge der transversalen Arme dieser Hilfsstücke ist.
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Es ist daher nicht notwendig, für die Translationsbewegung
des beweglichen Elementes eine genaue Führung zu
gewährleisten. Darüberhinaus ist es in gewissen Fällen sogar
möglich, überhaupt keine Führung vorzusehen und einzusetzen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der
Erfindung
umfaßt die Vorrichtung zwei Hilfsstücke, die um zwei
parallele Achsen angelenkt sind.
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Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die
Synchronisationseinrichtungen der Hilfsstücke eine Anzahl
von Ritzeln mit demselben Durchmesser, die jeweils auf den
Achsen der Hilfsstücke aufgesetzt sind und untereinander
direkt zusammenwirken, so daß ein Hilfsstück im
entgegengesetzten Drehsinn in Bezug auf das oder die unmittelbar
benachbarten Hilfsstücke gedreht wird.
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Vorzugsweise ist eines der Synchronisationsritzel ebenfalls
als Teil der Antriebseinheit ausgestaltet. In diesem Fall
wirkt das Synchronisationsritzel vorzugsweise mit einem
Ritzel zusammen, welches auf der Rotationsachse des
Roboterarms aufgesetzt ist und dessen Durchmesser halb so groß
wie der des Synchronisationsritzels selbst ist.
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Die Erfindung sieht außerdem vor, daß die Vorrichtung ein
zweites bewegliches Element aufweist, welches in Bezug auf
die Ebene der Achsen der Hilfsstücke symmetrisch zu dem
beweglichen Element angeordnet ist, wobei dieses zweite
bewegliche Element einer Rückholkraft unterworfen wird, die
in entgegengesetzter Richtung zu der auf das erste
bewegliche Element wirkenden Kraft ausgerichtet ist, so daß sich
in der Ausgangsposition, die von den beiden beweglichen
Elementen angenommen wird, die beiden Enden der
transversalen Arme aller Hilfsstücke gleichzeitig auf die beiden
beweglichen Elemente abstützen.
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In der nun folgenden Beschreibung, die beispielhaft und
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausgeführt
wird, zeigen:
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Fig. 1 eine Vorderansicht einer Einrichtung mit einem
Roboterarm und einer Ausgleichsvorrichtung für
diesen Arm gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung, und
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Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II - II der
Fig. 1, die ebenfalls die Antriebseinheit zur
Drehung des Roboterarms zeigt.
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Die Einheit, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist,
umfaßt einen Roboterarm 10 , der für eine Drehung um eine
horizontale Achse A mit Hilfe einer Welle 12 angelenkt ist,
auf der der Arm 10 aufgesetzt ist. Die Welle 12 durchstößt
zwei vertikale und parallele Befestigungsflansche 14 und
16, die mit einem horizontalen Boden 18 verbunden sind und
so ein Gestell 20 bilden. Der Arm 10 ist dazu ausgelegt, um
mit Hilfe einer Motorantriebseinheit 22 um seine Achse A
gedreht zu werden, wobei die Einheit auf dem Flansch 16
befestigt ist. Bei seiner Drehung kann der Arm 10 jede
Winkelposition annehmen und kann dabei in einem Winkel
stehen, der beliebig zwischen der aufsteigenden Vertikalen,
die von der Achse A ausgeht, und der Hauptrichtung des
Armes (Fig. 1) ausgerichtet sein kann. Die Schwerkraft P
wirkt auf den Wirkungsschwerpunkt G des Armes 10.
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Um die Schwerkraft zu kompensieren, die auf den Arm
einwirkt, umfaßt die Einrichtung eine Ausgleichsvorrichtung.
Diese umfaßt im wesentlichen zwei starre Hilfsstücke 24&sub1;
und 24&sub2;, die jeweils um zwei horizontale Achsen B&sub1; und B&sub2;
angelenkt sind, die parallel zueinander und parallel zu der
Achse A ausgerichtet sind. Die Achse B&sub1; wird körperlich
durch eine Welle 26 (Fig. 2) ausgebildet, die ebenfalls die
Flansche 14 und 16 durchquert. Diese Welle trägt zwei
transversale Arme 28&sub1; und 30&sub1;, die sich auf beiden Seiten
der Achse B&sub1; erstrecken und die symmetrische Enden 32&sub1; und
34&sub1; aufweisen. Die transversalen Arne 28&sub1; und 30&sub1; haben
beide die gleiche Länge, nämlich eine Länge des Abstandes
b. Die Enden 32&sub1; und 34&sub1; dienen als Träger für mit dem
Bezugszeichen 36&sub1; und 38&sub1; bezeichnete Rollen, die zur
freien Drehung um horizontale Achsen 40&sub1; und 42&sub1; angeordnet
sind, die parallel zu der Achse B&sub1; ausgerichtet sind. Bei
einem der Enden der Welle 26, die die Achse B&sub1; bildet, ist
zur Drehung ein gezahntes Ritzel 44&sub1; aufgesetzt, welches
direkt in ein gezahntes Ritzel 44&sub2; desselben Durchmessers
eingreift, welches auf der Welle der Achse B&sub2; des
Hilfsstückes 24&sub2; aufgesetzt ist. Das Stück 24&sub2; ist vollkommen
identisch zu dem Stück 24&sub1; ausgebildet, umfaßt ebenfalls
zwei Arme 28&sub2; und 30&sub2;, die beide die Länge b aufweisen, und
trägt ebenfalls Endrollen 36&sub2; und 38&sub2;. Die Zahnritzel 44&sub1;
und 44&sub2; bilden Synchronisationsmittel, die geeignet sind,
die beiden Hilfsstücke 24&sub1; und 24&sub2; mit Winkelgeschwindig
keiten anzutreiben, die in ihrem absolutem Wert gleich
sind, aber einen unterschiedlichen Drehsinn aufweisen.
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Darüberhinaus greift das Synchronisationsritzel 44&sub1; direkt
in ein Ritzel 46 ein, welches auf der Welle 12 zum Antrieb
des Armes 10 aufgesetzt ist.
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Die Enden der transversalen Arme der beiden Hilfsstücke
sind dazu ausgestaltet, sich gegen einen geraden Abschnitt
48 eines in einer Translationsbewegung beweglichen
Elementes 50 abzustützen und einer Rückholkraft in Richtung einer
Ausgangsposition L&sub0; (Fig. 1) unterworfen zu werden, welche
zum Abstand d zwischen dieser Ausgangsposition und der
Position L proportional ist, die von dem besagten
beweglichen Element angenommen wird.
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Bei diesem Beispiel wird die Rückholkraft durch zwei
Rückholeinrichtungen 52 und 54 gewährleistet, die in
Kompression arbeiten. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die beiden
Elemente nachgiebige Schaumstoffblöcke, zum Beispiel aus
Polyurethan, die eine konstante Steife besitzen.
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Die oben genannte Einheit ist in einer solchen Weise
befestigt, daß, wenn der Roboterarm vertikal (Winkel gleich
Null) ausgestellt ist, sich die Enden der transversalen
Arme der jeweiligen Hilfsstücke 24&sub1; und 24&sub2; gleichzeitig
auf dem geraden Abschnitt 48 in seiner Ausgangsposition L&sub0;
abstützen. In dieser Ausgangsposition sind die Arme 28&sub1; und
30&sub1; des Stückes 24&sub1; und die Arme 28&sub2; und 30&sub2; des Stückes
24&sub2; horizontal ausgerichtet und die vier Rollen stützen
sich auf der oberen Oberfläche des geraden Abschnittes 48
ab.
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In Betrachtung der Zahnritzel 46, 44&sub1; und 44&sub2; drehen sich
die Stücke 24&sub1; und 24&sub2; mit der gleichen
Winkelgeschwindigkeit, die in ihren absoluten Wert der Hälfte der
Winkelgeschwindigkeit des Armes 10 entspricht.
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Wenn ausgehend von der Ausgangsposition der Arm 10 mit
einer Drehung um einen Winkel in Bezug auf die Vertikale
angetrieben wird (Fig. 1) nehmen die Hilfsstücke 24&sub1; und
24&sub2; eine Position ein, in der die entsprechenden Arme einen
Winkel des halben Wertes /2 in Bezug auf den Abschnitt 48
einnehmen. In der in der Fig. 1 dargestellten Lage sind es
die Endrollen 38&sub1; und 38&sub2;, die auf der oberen Oberfläche 48
des beweglichen Abschnittes 50 aufsetzen. In allen Lagen
außer der genannten Ausgangsposition sind entweder die
Rollen 38&sub1; und 38&sub2; oder die Rollen 36&sub1; und 36&sub2; auf der
oberen Fläche des Abschnittes 48 stützend aufgelegt. Daraus
folgt, daß sich die Resultierende F der Abstützkräfte in
einer medianen Ebene erstreckt, die zwischen den Achsen B&sub1;
und B&sub2; liegt und die sich rechtwinklig zum Abschnitt 48
erstreckt.
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In der genannten Ausgangsposition ist das bewegliche
Element
50 keiner Rückholkraft unterworfen. Wenn man mit K die
Proportionalitätskonstante zwischen der Rückholkraft einer
Feder 52 oder 54 und der Amplitude der Verschiebung des
beweglichen Elementes bezeichnet, muß diese Konstante und
der Abstand b, das heißt die Länge jedes transversalen
Armes, in einer solchen Weise ausgewählt sein, daß der
Ausgleich gewährleistet ist.
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Es kann gezeigt werden, indem man die Rechnungen aufnimmt,
die in dem genannten französischen Patent ausgeführt worden
sind, daß in diesem Fall die Bedingung 1/2 K b² = P R für
beide Hilfsstücke erfüllt sein muß.
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Anstelle der Benutzung von zwei Hilfsstücken 24&sub1; und 24&sub2;
wäre es ebenfalls möglich, vier Hilfsstücke zu benutzen,
indem zwei weitere 24&sub3; und 24&sub4; hinzugefügt werden, wie sie
in der strichlinierten Darstellung in der Fig. 1 gezeigt
sind. Die Stücke 24&sub3; und 24&sub4; weisen dann jeweilige Achsen
B&sub3; und B&sub4; auf, die zu den Achsen B&sub1; und B&sub2; parallel und
koplanar ausgerichtet sind, wobei gezahnte Ritzel 44&sub3; und
44&sub4; in die jeweiligen Ritzel 44&sub1; und 44&sub2; eingreifen. In
dieser Weise drehen sich die vier Hilfsstücke in ihrem
Absolutwert mit derselben Winkelgeschwindigkeit, wobei
jeweils zwei mit einander entgegengesetztem Drehsinn
gedreht werden. In einem solchen Falle müßte man ein
bewegliches Element 50 einer geeigneten Größe benutzen und die
Rückholelemente 52 und 54 entsprechend verschieben. Bei
einer anderen Ausführungsform könnte man "Matratzen" von
Rückholelementen vorsehen, die zwischen der unteren
Oberfläche des Elementes 50 und dem Gestell 18 vorgesehen sind.
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Bei einer weiteren Variante und Ausführungsform ist es
möglich, ein zweites bewegliches Element 56 vorzusehen, das
in der Fig. 1 strichliniert dargestellt ist und welches in
Bezug auf die Ebene der Achsen der Hilfsstücke symmetrisch
zu dem beweglichen Element 50 ausgerichtet ist. Dieses
zweite bewegliche Element ist also einer Rückholkraft in
entgegengesetzter Richtung zu derjenigen unterworfen, der
das bewegliche Element ausgesetzt ist, und dies wird mit
Hilfe von zwei Rückholelementen 58 und 60 verwirklicht. In
der Ausgangsposition, die von den zwei beweglichen
Elementen angenommen wird, stützen sich die Enden der
transversalen Arme der Hilfsstücke alle gleichzeitig auf den beiden
beweglichen Elementen 50 und 56 ab. Mit der Hilfe dieser
beiden beweglichen Elemente 50 und 65 kann man einerseits
das Ausgleichsdrehmoment erhöhen, welches von der
Vorrichtung erzeugt wird, und andererseits die Zwangskräfte
verringern, die auf die Achsen der Hilfsstücke und auf die
Lager einwirken, in denen sich diese Achsen drehen. In
einem solchen Fall genügt es dann, das Verhältnis K b² =
P R zu erfüllen.
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Wie es in der Fig. 2 zu erkennen ist, benötigt das
bewegliche Element 50 keine besondere Führung, da es symmetrischen
Kräften ausgesetzt ist, die einerseits von den
Federelementen 52 und 54 und anderseits von den transversalen Armen
der Hilfsstücke herrühren, wobei dies unabhängig von der
Länge der besagten transversalen Arme ist. Man kann so auch
Arme von Robotern oder dergleichen bei großen Gewichten
derselben ausgleichen.
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Die oben genannte Vorrichtung ist insbesondere sehr
platzsparend ausgestaltet und kann leicht auf einen bestehenden
Roboterarm angepaßt werden, ohne daß es notwendig ist,
diesen Arm Veränderungen oder Umbauten zu unterziehen.
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Es ist noch anzumerken, daß die Vorrichtung gemäß der
Erfindung ebenfalls, wenn auch in ungenauerer Weise,
arbeiten würde, falls ein Roboterarm benutzt wird, dessen
Rotationsachse gegenüber der Horizontalen geneigt ist.
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Die Vorrichtung ist geeignet, Kräfte jeder Art zu
kompensieren, wobei die Bedingungen bestehen, daß diese Kräfte
auf der Rotationsachse der zu kontrollierenden Bewegung
Drehmomentveränderungen hervorrufen, die in einer
sinusförmigen Funktion in Abhängigkeit vom Winkel der besagten
Rotationsbewegung angenähert werden können, und daß die
Amplitude dieser Sinusfunktion im wesentlichen konstant
ist.