DE69200421T2

DE69200421T2 - Handgelenk für Industrieroboter.

Info

Publication number: DE69200421T2
Application number: DE69200421T
Authority: DE
Inventors: Mauro Amparore; Mario Orsi
Original assignee: Comau SpA
Current assignee: Comau SpA
Priority date: 1991-03-04
Filing date: 1992-03-03
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2012-03-04
Also published as: ITTO910150A1; US5178031A; JPH0577192A; ATE111797T1; ES2061330T3; EP0502832B1; ITTO910150A0; IT1245433B; EP0502832A1; DE69200421D1

Description

Diese Erfindung betrifft Gelenke für Industrieroboter.
Vor einiger Zeit hat der Anmelder ein Gelenk für einen Industrieroboter hergestellt, das besitzt:
einen ersten Körper, der dazu dient, um vom freien Ende eines Roboterarms getragen zu werden, der eine Längsachse besitzt,
einen zweiten Körper, der auf dem ersten Körper um eine zweite Achse drehbar ist, die die Längsachse des Roboterarms rechtwinkelig schneidet,
einen dritten Körper, der auf dem zweiten Körper um eine dritte Achse drehbar ist, die die zweite Achse rechtwinkelig schneidet,
einen ersten und zweiten Elektromotor, um den zweiten bzw. dritten Körper in Drehung zu versetzen, und
ein erstes und zweites "Harmonic Drive"-Reduziergetriebe, die in der Verbindung zwischen dem ersten Motor und dem zweiten Körper bzw. in der Verbindung zwischen dem zweiten Motor und dem dritten Körper liegen,
wobei jedes Reduziergetriebe aufweist:
ein tragendes Element, das am ersten Körper bzw. am zweiten Körper befestigt ist,
einen Antriebsrotor, der am tragenden Element in einem Rollenlager drehbar gelagert ist, und
einen Abtriebsrotor, der koaxial zum Antriebsrotor liegt und in einem Rollenlager auf einem Aufbau drehbar gelagert ist, der am tragenden Element befestigt ist.
Beim oben erwähnten Roboter, der früher vom Anmelder hergestellt wurde, saßen beide Motoren für den Antrieb des Gelenks auf dem Aufbau des Roboterarms, wobei sie mit den beiden Drehkörpern des Gelenks über mechanische Kraftübertragungen verbunden waren, so daß die Inbetriebsetzung von nur einem Motor nicht nur den entsprechenden Drehkörper in Drehung versetzte, sondern auch die Drehung des anderen Drehkörpers des Gelenks beeinflußte. Um den zweiten Körper oder den dritten Körper allein in Drehung zu versetzen, war es daher notwendig, beide Motoren in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Kriterium in Betrieb zu setzen. Ein anderer Nachteil der bekannten Lösung besteht darin, daß der Aufbau, in dem der Abtriebsrotor eines jeden Reduziergetriebes drehbar gelagert ist, kein Teil des Reduziergetriebes sondern ein Teil des Robotergelenks war. Wenn daher das Gelenk zusammengebaut wurde, mußte zwischen dem Tragaufbau und dem Abtriebsrotor des Reduziergetriebes ein Rollenlager vorgesehen werden. Damit war die Montage sehr mühsam und langwierig.
Um diese Problem zu vermeiden, besteht der Gegenstand dieser Erfindung in einem Gelenk, wie es oben beschrieben wurde, dadurch gekennzeichnet, daß:
a) der erste Elektromotor auf dem ersten Körper befestigt ist,
b) der zweite Elektromotor auf dem zweiten Körper befestigt ist, und in jedem der beiden Reduziergetriebe der Aufbau, in dem der Abtriebsrotor des Reduziergetriebes drehbar gelagert ist, vom tragenden Element gebildet wird, das ein Teil des Reduziergetriebes ist.
Mit diesen Merkmalen werden die Probleme des Standes der Technik überwunden. Erstens kann jeder der beiden Elektromotoren den von ihm angetriebenen Körper in Drehung versetzen, ohne daß eine parasitäre Drehung des anderen Körpers hervorgerufen wird. Zweitens kann jedes der beiden Reduziergetriebe leicht dadurch befestigt werden, daß sein tragendes Element am entsprechenden Körper befestigt wird, ohne daß es notwendig ist, ein zusätzliches Lager getrennt vom Reduziergetriebe vorzusehen und einzusetzen.
Die Vorrichtung wird nun anhand eines nichteinschränkenden Beispiels im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
Fig. 1 den vereinfachten Schrägriß eines Robotergelenks gemäß der Erfindung;
Fig. 2 den Schnitt entlang der Achse II-II von Fig. 1;
Fig. 3 die Ansicht jenes Details, das in Fig. 2 mit dem Pfeil III bezeichnet ist, in vergrößertem Maßstab; und
Fig. 4 die Ansicht jenes Details, das in Fig. 2 mit dem Pfeil IV bezeichnet ist, in vergrößertem Maßstab.
Fig. 1 zeigt ein Gelenk für einen Industrie-Gelenksroboter, das einen ersten Körper 1 aufweist, der am freien Ende eines Gelenkarms 2 des Roboters befestigt ist. Bei einer typischen Anwendung ist das Gelenk 1 für eine Verwendung auf einem Gelenksroboter mit sechs Achsen vorgesehen, wie er beispielsweise vom Anmelder erzeugt und unter dem Warenzeichen "SMART" vertrieben wird. Dieser bekannte Roboter weist eine Basis auf, die auf einer festen Halterung um eine vertikale Achse drehbar ist (diese Achse wird von Fachleuten allgemein als die "Achse 1" des Roboters bezeichnet). Die Basis trägt ihrerseits einen Aufbau, der um eine horizontale Achse drehbar ist (die "Achse 2" des Roboters). Dieser Aufbau besitzt seinerseits einen Arm, der um eine weitere horizontale Achse (die "Achse 3") gelenkig ist, wobei er einen Endteil besitzt, der um die Längsachse (die "Achse 4") des Arms drehbar ist. Der Endteil des Arms trägt seinerseits ein Gelenk mit zwei weiteren Gelenksachsen (die "Achse 5" und die "Achse 6" des Roboters), wobei er an seinem Ende ein Werkzeug trägt.
Im besonderen betrifft die Erfindung den Aufbau des Gelenks. Der Teil 2 in Fig. 1 ist der Endteil des Roboterarms, der um seine Längsachse 3 relativ zum Rest des Arms (nicht dargestellt) drehbar ist.
Bei der gezeigten Ausführungsform (siehe auch Fig. 2) besitzt das Ende des Hohlkörpers des Teils 2 einen Flansch 4, der am Körper 1 des Gelenks mit Schrauben 5 befestigt ist.
Nunmehr wird weiterhin auf die beschriebene Ausführungsform Bezug genommen. Der Körper 1 des Gelenks besitzt einen im wesentlichen S-förmigen Aufbau mit einem ersten Teil 1a, der mit der Längsachse 3 des Arms 2 ausgerichtet ist, einem zweiten Teil 1b, der unter 90º seitlich zur Längsachse 3 verläuft, sowie einem dritten Teil 1c, der gleichfalls in Längsrichtung jedoch längs einer Achse parallel zu und beabstandet von der Längsachse 3 verläuft. Der Endteil 1c des Körpers 1 des Gelenks trägt einen zweiten Körper 7 so, daß er um eine Achse 6 drehbar ist. Die Achse 6 schneidet die Achse 3 rechtwinkelig. Im Körper 7 ist ein dritter Körper 9 um eine Achse 8 drehbar gelagert, der den Endteil des Gelenks bildet, an dem das vorgesehene Werkzeug befestigt werden soll. Die Achse 8 steht auf der Achse 6 senkrecht. Weiters schneiden sich in der gezeigten Ausführungsform die drei Achsen 3, 6 und 8 in einem einzigen Punkt C.
Gemäß der oben erwähnten Terminologie, die von Fachleuten auf dem Gebiet von Robotern allgemein verwendet wird, bilden die Achsen 6 und 8 von Fig. 1 die "Achse 5" und die "Achse 6" des Roboters.
Beim Gelenk gemäß der Erfindung wird der Körper 9 relativ zum Körper 7 um die Achse 8 von einem Elektromotor 10 gedreht, dessen Gehäuse auf dem Körper 7 befestigt ist. Im besonderen besitzt das Gehäuse des Motors 10 einen Flansch 10a, der am Aufbau des Körpers 7 mit Schrauben 11 befestigt wird. Die Abtriebswelle des Motors 10 ist mit der Bezugsziffer 12 versehen, wobei sie den Körper 9 über ein Reduziergetriebe 13 in Drehung versetzt, wie es unter dem Warenzeichen "Harmonic Drive" von Harmonic Drive System GmbH vertrieben wird. Dieses Reduziergetriebe, das allgemein mit der Bezugsziffer 13 versehen ist, weist ein ringförmiges tragendes Element 14 auf, das am Körper 7 mit Schrauben 15 befestigt wird (von denen in Fig. 2 und 4 nur eine sichtbar ist). Das Reduziergetriebe 13 weist weiters einen Antriebsrotor 16 auf, der im tragenden Element 14 drehbar ist, wobei dazwischen ein Lager 17a vorgesehen ist. Bei der Ausführungsform von Fig. 4 wird der Antriebsrotor 16 von der Welle 12 des Elektromotors über eine dazwischen vorgesehene elastische Kupplung 17 und ein schalenförmiges Übertragungselement 18 angetrieben, dessen Basis mit der Welle 12 über die Kupplung 17 verbunden ist, und dessen Öffnung einen Ringflansch besitzt, der mit dem Antriebsrotor 16 über Schrauben (nicht dargestellt) verbunden ist. Der Antriebsrotor 16 trägt mit einem Paar von Rollenlagern 19 einen Zahnkranz 20, der mit Reihen von Innenzähnen im Element 14 und in einem Abtriebsrotor 21 in Eingriff steht, wobei jeder Bauteil eine unterschiedliche Zähnezahl besitzt. Die baulichen Einzelheiten des Reduziergetriebes 13 können jedoch von irgendwelcher bekannter Art sein und fallen nicht in den Bereich dieser Erfindung.
Der wichtige Gesichtspunkt, auf den besonders hingewiesen sein soll, besteht darin, daß das Reduziergetriebe 13 so aufgebaut ist, daß der Abtriebsrotor 21 in einem Rollenlager 22 im tragenden Aufbau 14 sowie in einem Ring 14a drehbar gelagert ist, der am Element 14 mit den Schrauben 15 befestigt ist. Dadurch unterscheidet sich der Aufbau des Gelenks gemäß der Erfindung von bekannten Lösungen, bei denen die "Harmonic Drive"-Reduziergetriebe verwendet werden, bei denen der Abtriebsrotor nicht im tragenden Element des Reduziergetriebes selbst sondern im Aufbau 7 des Gelenks in einem Rollenlager drehbar gelagert war, das kein Teil des Reduziergetriebes war und daher vorgesehen und eingesetzt werden mußte, wenn das Reduziergetriebe auf dem Gelenk befestigt wurde.
Im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 wird der Körper 7 um die Achse 6 von einem Elektromotor 20 gedreht, dessen Gehäuse einen Flansch 20a besitzt, der am Aufbau des Körpers 1 befestigt ist. Die Achse der Welle 21 des Motors 20 steht auf der Achse 3 senkrecht, wobei die Welle 21 den Körper 7 über eine mechanische Kraftübertragung in Drehung versetzt, die eine Riemenscheibe 22, die auf der Welle 21 befestigt ist, sowie einen Riemen 23 aufweist, der die Drehung der Riemenscheibe 22 auf eine Riemenscheibe 24 überträgt, die ihrerseits den Körper 7 über ein Reduziergetriebe 25 in Drehung versetzt, das dem der oben beschriebenen Vorrichtung 13 gleicht. Im besonderen (Fig. 3) ist die Riemenscheibe 24 mit Schrauben 26 am Antriebsrotor 27 des Reduziergetriebes 25 befestigt. Der Rotor 27 ist im ringförmigen tragenden Element 29 des Reduziergetriebes 25 in einem Lager 28 drehbar gelagert. Das tragende Element 29 wird am Aufbau des Körpers 1 mit Schrauben 30 befestigt, wobei es den Abtriebsrotor 32 in einem Rollenlager 31 drehbar aufnimmt. Der Abtriebsrotor 32 ist direkt am Körper 7 des Gelenks mit Schrauben 33a befestigt. Der Antriebsrotor 27 des Reduziergetriebes 25 trägt weiters in Lagern 34 einen Zahnkranz 33, der mit Reihen von Innenzähnen auf dem tragenden Element 29 und auf dem Abtriebsrotor 32 in Eingriff steht, wobei jede Reihe eine unterschiedliche Zähnezahl besitzt. Weiters ist ein Lager 35 zwischen dem Antriebsrotor 27 und dem Abtriebsrotor 32 vorgesehen.
Die Leitungen für die Ansteuerung des Elektromotors 20 sind in einem einzigen Mantel 40 untergebracht, der durch den hohlen Aufbau des Arms 2 verläuft (Fig. 2). Die Zuleitungen für den Motor 10 verlaufen ebenfalls durch den hohlen Aufbau des Arms 2, wobei sie einen gewendelten Teil 50 besitzen, dessen Achse mit der Achse 6 übereinstimmt, wobei er den Motor 10 über den hohlen Aufbau des Körpers 1 erreicht. Der gewendelte Teil 50 der Zuleitungen für den Motor 10 wird in einer Hülle 51 aus Kunststoff vormontiert, die einen rohrartigen, zylindrischen Körper mit einem Endflansch 52 besitzt, der am Aufbau des Körpers 7 mit Schrauben (nicht dargestellt) befestigt ist, wobei der rohrförmige Körper der Hülle 51 eine Stirnwand 52 mit einer Öffnung 53 besitzt, durch die der Endteil des gewendelten Teils der Leitungen 50 laufen kann. Dieser Aufbau verhindert, daß das Kabel verdrillt wird, wenn sich der Körper 7 um die Achse 6 dreht.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß jeder der beiden Motoren 10 und 20 den entsprechenden Körper 7, 9 um seine Achse 6, 8 drehen kann, ohne daß parasitäre Drehungen des anderen Körpers hervorgerufen werden. Weiters wird der Aufbau des Gelenks besonders dadurch vereinfacht, daß die Reduziergetriebe einfach dadurch montiert werden können, daß ihre tragenden Elemente an den Aufbauten des Körpers 1 bzw. des Körpers 7 befestigt werden, ohne daß zusätzliche Tragelemente, beispielsweise Rollenlager, zwischen dem Aufbau des Reduziergetriebes und dem Aufbau des Gelenks erforderlich sind.
Selbstverständlich bleibt die Grundlage der Erfindung gleich, wobei Einzelheiten des Aufbaus und Arten der Ausführungsform im Hinblick auf die beschriebenen und gezeigten Beispiele weit verändert werden können. Beispielsweise kann das Gelenk gemäß der Erfindung an einem "kartesischen" Industrieroboter angewandt werden, d.h. an einem Roboter mit Schlitten, die längs dreier aufeinander senkrechter Achsen bewegbar sind.

Claims

1. Gelenk für einen Industrieroboter, wobei das Gelenk besitzt:

einen ersten Körper (1), der dazu dient, um vom freien Ende (2) eines Roboterarms getragen zu werden, der eine Längsachse (3) besitzt,

einen zweiten Körper (7), der auf dem ersten Körper (1) um eine zweite Achse (6) drehbar ist, die die Längsachse (3) des Roboterarms rechtwinkelig schneidet,

einen dritten Körper (9), der auf dem zweiten Körper (7) um eine dritte Achse (8) drehbar ist, die die zweite Achse (6) rechtwinkelig schneidet,

einen ersten und zweiten Elektromotor (20, 10), um den zweiten bzw. dritten Körper (7, 9) in Drehung zu versetzen, und

ein erstes und zweites "Harmonic Drive"-Reduziergetriebe (25, 13), die in der Verbindung zwischen dem ersten Motor (20) und dem zweiten Körper (7) bzw. in der Verbindung zwischen dem zweiten Motor (10) und dem dritten Körper (9) liegen,

wobei jedes Reduziergetriebe (25, 13) aufweist:

ein tragendes Element (29, 14), das am ersten Körper (1) bzw. am zweiten Körper (7) befestigt ist,

einen Antriebsrotor (27, 16), der am tragenden Element (29, 14) in einem Rollenlager (28, 17a) drehbar gelagert ist, und

einen Abtriebsrotor (32, 21), der in einem Rollenlager auf einem Aufbau drehbar gelagert ist, der am tragenden Element (29, 14) befestigt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß:

a) der erste Elektromotor (20) vom ersten Körper (1) getragen wird,

b) der zweite Elektromotor (10) vom zweiten Körper (7) getragen wird, und

c) der Aufbau, in dem der Abtriebsrotor eines jeden Reduziergetriebes drehbar gelagert ist, vom tragenden Element gebildet wird, das ein Teil des Reduziergetriebes ist.

2. Gelenk gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Motor (20) mit seiner Achse senkrecht zur Längsachse (3) des Roboterarms befestigt ist und den zweiten Körper (7) über einen Riementrieb (22, 23, 24) sowie das erste Reduziergetriebe (25) antreibt, das so befestigt ist, daß seine Achse mit der zweiten Achse (6) übereinstimmt.

3. Gelenk gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Motor (10) am zweiten Körper (7) so befestigt ist, daß seine Achse mit der dritten Achse (8) übereinstimmt, wobei seine Abtriebswelle (12) den dritten Körper (9) mit dem dazwischenliegenden zweiten Reduziergetriebe (13) antreibt, das so befestigt ist, daß seine Achse mit der dritten Achse (8) übereinstimmt.

4. Gelenk gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Körper (1) einen im wesentlichen S-förmigen Aufbau besitzt, so daß sich die Längsachse (3) des Roboterarms sowie die zweite und dritte Achse (6, 8) in einem einzigen Punkt schneiden.

5. Robotergelenk gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen für die Anspeisung des zweiten Elektromotors (10), den der zweite Körper (7) trägt, auf der Innenseite des ersten Körpers (1) getragen werden und das erste Reduziergetriebe (25) in axialer Richtung kreuzen.

6. Robotergelenk gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen für die Anspeisung des zweiten Elektromotors (10) gewendelte Teile besitzen, deren Achsen mit der zweiten Achse (6) übereinstimmen, wobei sie in einer rohrförmigen, zylindrischen Hülse angeordnet sind, die am zweiten Körper (7) befestigt ist.