DE7739666U1 - Vielgliedriger arm fuer einen roboter oder automaten - Google Patents

Description

Vielgliedriger Arm für einen Roboter oder Automaten

Die Neuerung betrifft Roboter und insbesondere Spritzpistolenroboter. Ganz speziell betrifft die Neuerung einen vielgliedrigen Arm, der dazu bestiirmt ist, einem Roboter die Betätigung einer Farbspritzpistole zu gestatten.

Ein Farbspritzroboter muß unter gewissen Benutzungsbedingungen im Inneren eines hohlen Volumens anstreichen. Dies ist beispielsweise der Fall bei der Karosserie eines Automobils. In diesem letzteren Falle muß der Roboter in das Innere der Karosserie durch öffnungen von begrenz-

578-(77/O2 387)-LSl

7739666 20.04.78

- 2

ten Abmessungen, die den Türen entsprechen, hineingehen. Schließlich muß er Hindernissen aus dem Wege gehen, geöffneten Türen beispielsweise. All dieses bewirkt, daß der Roboter im allgemeinen zumindest sechs und selbst mehr Freiheitsgrade haben muß, da die Farbspritzpistole, um anstreichen zu können, ihre Achse im wesentlichen normal zu der anzustreichenden Oberfläche behalten und sich von dieser Fläche in einem im wesentlichen konstanten Abstand befinden muß.

Ein System mit mehreren unabhängigen Gelenken, die getrennt betätigt werden, kann nicht genügend sein, und es kann sich als notwendig herausstellen, die Spritzpistole durch einen vielgliedrigen Arm tragen zu lassen, der nur zwei Freiheitsgrade hat und in der Lage ist,.eine Krümmung anzunehmen, die von Null bis zu einem Maximalwert in irgendeiner Ebene geht, die die Achse des Oberarmes des Roboters einschließt. Auf diese Weise kann der Arm unter Berücksichtigung der Abmessungen der Öffnungen in der Karosserie ein wesentlich größeres Volumen bestreichen als er es könnte, wenn er starr wäre.

Die vorliegende Neuerung betrifft einen vielgliedrigen Arm für einen Roboter oder Automaten, der insbesondere bestimmt ist, eine Farbspritzpistole zu tragen, einen Arm in einer verhältnismäßig einfachen und wirtschaftlichen Ausführung, die ein Äquivalent für zwei Freiheitsgrade ist und viel leichter zu betätigen ist mit Hilfe zumindest zweier Winden, vorzugsweise hydraulischer Winden.

Gemäß der Neuerung ist der vielgliedrige Arm für einen Roboter oder Automaten, der insbesondere zur Aufnahme einer Farbspritzpistole bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß an demjenigen Teil des Roboters, der den vielgliedrigen Arm aufnehmen soll, ein fester Bauteil,

7739666 20.04.78

If I § » »

ein Glied der Ordnung Null angesetzt wird, in dessen Innerem für eine Schwenkung um eine Achse ein Ring eingebaut ist, der ein erstes Kardangelenk bildet und eine Kuppelstange aufnimmt, die erstes Glied genannt vrird, das um eine Achse des Gelenkstückes schwenkbar eingebaut ist, senkrecht zur Gelenkachse des Gelenkstückes in dem festen Bauteil, wobei die Kuppelstange gelenkig an einem zweiten Kardangelenkstück befestigt ist, das schwenkbar in einem im wesentlichen drehkörperförmig ausgebildeten Bauteil eingebaut ist, der das zweite Glied bildet und daß die Enden der sich gegenüberliegenden Teile, des festen Bauteils und des zweiten Gliedes konkave kugelige Oberflächen mit im wesentlichen gleichem Krümmungsmittelpunkt haben, der auf der Achse des festen Bauteils liegt, daß zwei Teile, die sich gegeneinander längs einer zylindrischen Führungsfläche verschieben und Kugelflächen tragen, die im wesentlichen einen gleichen Mittelpunkt haben und gegen die konkaven Kugelflächen des feststehenden Gliedes und des zweiten Gliedes gedrückt werden und so das feststehende Glied und das zweite Glied zwingen, im wesentlichen eine Schwenkbewegung um den Mittelpunkt der Kugelflächen auszuführen, während das andere Ende des zweiten Gliedes eine Kugelfläche hat, die einer anderen Kugelfläche anliegt, die zu einem vierten Glied gehört, das überdies mit dem zweiten Glied durch eine Kuppelstange verbunden ist,die ein drittes Glied bildet und sowohl in dem zweiten als auch im vierten Glied über Kardangelenke der gleichen Art wie die das erste Glied bildende Kuppelstange kardanisch in dem festen Glied "Null" und dem ersten Glied festgehalten ist, festgelegt ist, wobei das dritte Glied mit dem ersten Glied mit Hilfe einer Kugel synchronisiert ist, die koaxial zu ihrer Achse das eine dieser Glieder trägt und die mit einem sehr geringen Spiel sich in dem anderen Glied gleitend verschiebt, und daß diese Anordnung sich identisch für eine beliebige Anzahl von Gliedern wiederholt.

7739666 20.04.78

ι I M lit

Weitere Merkmale der Neuerung werden sich aus der folgenden Beschreibung ergeben, die jedoch lediglich ein Ausführungsbeispiel betrifft. Zu diesem Zweck wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, die ein nicht begrenzendes Beispiel der neuerungsgemäßen Vorrichtung darstellt.

Gemäß der Darstellung ist ein Roboterarm 73 an seinem freien Ende mit einem Bauteil 19 ausgestattet. Dieser Teil 19 endet an seinem freien Ende in einer konkaven sphärischen Fläche 40. In diesem Teil 19 ist ein Ring gelenkig in einer Achse 41 angeordnet. Dieser Ring bildet das erste Kardangelenk und kann um die Achse 4l schwenken. Dieser Kardanzapfen nimmt eine sweite Schwenkachse 42 auf, die auf der Zeichnung in Enddarstellung angegeben ist und um die eine Kuppelstange 2 schwenkt. Diese Kuppelstange nimmt an ihrem anderen Ende ein weiteres Gelenk parallel zur Schwenkachse 42 auf, mit dem sie in einem Ring 44 schwenken kann, der das zweite Gelenkstück des Kardans bildet. Dieser zweite Querzapfen ist seinerseits gelenkig um eine Achse 45 schwenkbar, die senkrecht zu dem Gelenk 43 an einem Teil 46 festgelegt ist, der in einer sphärischen konkaven Fläche endet, deren Krümmungszentrum 48 im wesentlichen mit dem Krümmungszentrum 49 der konkaven sphärischen Fläche 40 zusammenfällt, die den Bauteil 19 beendet. Der Bauteil 46 trägt ein zweites Kardanquerstück 50, das eine Achse 51 hat, die parallel zur Achse 43 verläuft. Der Abstand zwischen den Achsen und 51 ist im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den Achsen 43 und 42. Die erste Kuppelstange 2 trägt an einem ihrer Enden eine Kugel 55, deren Zentrum im wesentlichen in gleichem Abstand von den Achsen 43 und ist. Der zweite Kardanquerzapfen 50 trägt eine zweite Kuppelstange 52, die an ihrem Ende 3 konzentrisch zu ihrer Achse 51 eine Bohrung 53 hat, die einen Bauteil auf-

7739666 20.04.78

nimmt, der eine sphärische Eindrückung 54 aufweist, die durch eine Feder 56 in Anlagedruck an der Kugel 55 gehalten wird. Außerdem nehmen die sphärischen Tragflächen 40 und 47 der rohrförmigen Teile 19 und 46 jeweils die männlichen sphärischen Tragflächen 57 und 58 auf, die jeweils von zwei Teilen 16 und 17 getragen werden, die koaxial gegeneinander verschiebbar sind. Die beiden sphärischen Tragflächen 57 und 58 sind jeweils an die Tragflächen 47 und 4o durch eine Feder angedrückt. Wenn so die Kuppelstange 2 ein erstes Glied darstellt, bildet die Kuppelstange 52 ein drittes Glied und der rohrförmige Bauteil bildet ein zweites Glied.

Man sieht, daß ein Glied, beispielsweise das zweite Glied 46, gelenkig mit dem ersten Glied 2 einerseits und mit dem dritten Glied 52 andererseits schwenkbar verbunden ist, aber daß seine Bewegung eine Schwenkbewegung relativ zu dem Glied I9 der Größenordnung Null ist, das den festen Armteil darstellt.

Das Gesetz, das hier benutzt wird, erstreckt sich leicht auf eine beliebige Anzahl von Gliedern bis zu einem letzten Glied 23, das seinerseits eine Vorrichtung erhält, um beispielsweise eine Farbspritzpistole aufzunehmen.

Die beschriebene Verbindung eines Gliedes mit dem vorangehenden sowie mit dem folgenden Glied und auch mit einem Glied einer um zwei Einheiten erhöhten Ordnung oder einem um zwei Einheiten vorangegangenen Glied macht, daß die Gesamtheit - wie man aus der Figur ersieht - eine veränderliche Krümmung in der Ebene der Figur oder in jeder Ebene annehmen kann, welche die Achse 59 des festen Teiles 19 enthält, der von dem Arm 73 des Roboters getragen wird.

7739666 20.04.78

Man erkennt also, daß die Gesamtheit zwei Freiheitsgrade hat, der erste kann durch die Krümmung des vielgliedrigen Armes dargestellt werden und der zweite liegt in der Ebene, die die Achse 59 enthält. Um einen dieser Preiheitsgrade zu betätigen, sind zwei Seile 60, 61 starr mit ihren Enden an einem Glied befestigt, vorzugsweise dem letzten Glied 23. Diese Seile sind durch sämtliche Glieder gleicher Art wie das letzte Glied bis zu dem festen Bauteil 19 geführt. Jedes dieser Glieder erhält ein Hülsenelement 62 und 63, in dem die Seile jeweils laufen. Jedes dieser Seile wird jeweils durch die Winden 64 und 65 mit einfacher Kraftwirkung unter Spannung gesetzt, von denen die eine und die andere von einem gleichen Servoventil aus betätigt werden. Indem man den Druck in der Winde 6Ί erhöht und ihn in der Winde 65 verringert, biegt sich der vielgliedrige Arm wie in der Zeichnung dargestellt.

Man verfügt über zwei weitere nicht dargestellte Seile, die in einer senkrecht zur Ebene der Figur liegenden Ebene liegen und in der gleichen Weise wie die Seile 6o und 61 durch zwei andere Winden betätigt werden. Diese gestatten es dann, die Krümmung des vielgliedrigen Armes in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Figur durchzuführen. Indem man eine Kombination der Betätigung der dargestellten Winden und der nicht dargestellten Winden vornimmt, kann man dann den vielgliedrigen Arm in jeder Ebene biegen, die die Achse 59 des Roboterarmes 73 enthält.

Um die Krümmung und die Krümmungsebene des vielgliedrigen Armes festzustellen oder zu messen, genügt es, die Verschiebungen der Windungen zu kennen, welche diese Krümmung in der Ebene der Figur und in der Ebene senkrecht zu dieser Figur ausführen, welche die Achse 59 des Roboterarmes enthält.

7739666 20.04.78

Man kann also beispielsweise unmittelbar die Verschiebungen dieser Winden mit Hilfe bekannter Vorrichtungen messen, wie Potentiometern oder linearen Differenztransformatoren. Eine derartige Vorrichtung hätte den Nachteil, daß die Messungen an den Änderungen der Längen der Seile wie 60 und 61 durchgeführt werden.

Nach einer besonderen Ausführungsart der Neuerung wird die Messung mit Hilfe von linearen Potentiometern oder linearen Differenztransformatoren durchgeführt, die nicht dargestellt sind, aber von dem Arm 73 des Roboters getragen werden.

Die Empfänger werden mit Hilfe von anderen Seilen als 60 und 61 gesteuert, die an anderen Punkten um den vielgliedrigen Arm angeordnet sind. Auf diese Weise haben diese Seile, die zweckmäßigerweise durch einen einzigen dünnen Stahldraht ersetzt werden, keine Beanspruchung und erfahren infolgedessen auch keine Längung. Man hat also eine konstante Meßgröße der Stellung des vielgliedrigen Armes, ohne Einfluß der Länge der Betätigungsseile dieser Bewegung wie 60 und 61. Diese Meßseile können an irgendeinem beliebigen Glied befestigt sein und insbesondere an dem Glied, das fest mit den Zugseilen verbunden ist, die von den Winden gesteuert werden. Sie können aber auch mit Gliedern niederer Ordnung verbunden sein derart, um die Lauflänge der Empfänger der Verschiebung zu verringern, ohne jedoch nennenswert die Genauigkeit der Messung zu verkleinern.

Das System hat nur zwei Preiheitsgrade. Man könnte ebensogut irgendein Glied betätigen und insbesondere das zweite Glied 46. Die Bewegungen dieses Gliedes haben eine viel geringere Amplitude. Dies stellt jedoch einen erheb-

7739666 20.04.78

lichen Nachteil dar, da zur Beschleunigung einer Last, die am Ende des vielgliedrigen Armes angeordnet ist, die Betätigungskräfte erheblich viel größer sind als diejenigen, die von den Seilen 60 und 61 auszuüben sind, die an dem letzten Glied 23 angreifen.

Schließlich kann der gesamte vielgliedrige Arm durch einen Balg geschützt werden, der seinen ganzen Mechanismus und die Betätigungsseile gegen die Farbe oder andere Verschmutzungen schützt.

Viele Varianten, die nicht aus dem Rahmen der vorliegenden Neuerung herausführen, sind möglich, aber nicht hier beschrieben. Insbesondere hat man vorausgesetzt, daß der feste Bauteil 19 das Glied der Ordnung "Null" ist. Man hätte auch ebensogut ein Bauteil der Bauart der Kuppelstangen 2 bzw. 52 wählen können.

In gleicher Weise hat man vorausgesetzt, daß die Bauteile, wie 46, zwei sphärische konkave Flächen ¹JO und 47 und eine aus zwei Teilen 16 und 17 gebildete Kugel konvexe sphärische Flächen 57 und 58 hat, und über diese Flächen mit den Flächen 40 und 47 zusammenarbeitet. Man hätte aber auch den Teil 17 fest mit dem Bauteil I9 verbinden können und dieser Bauteil hätte ein einziges Stück 16 mit der sphärischen Tragfläche 57 aufgenommen, die sich in die konkave sphärische Fläche 47 einfügt, und weiter so über all die Glieder, wie 46, die an einem Ende eine sphärische konkave Fläche und am anderen Ende einen zylindrischen Teil aufweisen, an dem ein Bauteil gleitet, der eine sphärische Stützfläche hat.

Claims (3)

Schutzansprüche

1. Vielgliedriger Arm für einen Roboter oder Automaten, insbesondere bestimmt zum Halten einer Farb-Spritzpistole, dadurch gekennzeichnet, daß an demjenigen Teil des Roboters, der den vielgliedrigen Arm aufnehmen soll, ein feststehender Bauteil (19) angebaut ist, der "Nullglied" genannt wird und innerhalb dessen ein um eine Achse schwenkbarer Ring (1) sitzt, der das erste Gelenkstück eines Kardans bildet und seinerseits eine Kuppelstange (2) aufnimmt, die "erstes Glied" genannt wird, das gelenkig um eine Achse des Gelenkstückes eingebaut ist und senkrecht zur Gelenkachse (41) des Gelenkstückes in den festen Bauteil, wobei die Kuppelstange gelenkig an einem zweiten Kardangelenkstück (44) befestigt ist, das schwenkbar in einem im wesentlichen drehkörperförmig ausgebildeten Bauteil (46) eingebaut ist, der das "zweite Glied" bildet, und die Enden der sich gegenüberliegenden Teile,des festen Bauteils/und des zweiten Glie- ^v des (46) konkave kugelige Oberflächen (40, 47) mit im wesentlichen gleichem Krünunungsmittelpunkt haben, der auf der Achse des festen Bauteils liegt, daß zwei Teile (16, 17) die sich gegeneinander längs einer zylindrischen Führungsfläche verschieben können und Kugelflächen (57, 58) tragen, die im wesentlichen einen gleichen Mittelpunkt haben und gegen die konkaven Kugelflächen des feststehenden Gliedes (19) und des zweiten Gliedes (46) gedrückt werden und so das feststehende Glied und das zweite Glied zwingen, im wesentlichen eine Schwenkbewegung um den Mittelpunkt der Kugelflächen (40, 47, 57, 58) auszuführen, während das andere Ende des zweiten Gliedes (46) eine Kugelfläche hat, die einer anderen Kugelfläche anliegt, die zu einem vierten

7739666 20.04.78

Glied gehört, das überdies mit dem zweiten Glied durch eine Kuppelstange verbunden ist, die ein drittes Glied bildet und sowohl in dem zweiten als auch in dem vierten Glied über Kardangelenke der gleichen Art wie die Kuppelstange (2) und das erste Glied kardanisch in dem festen Glied "Null" und dem ersten Glied (2) festgehalten ist, verbunden ist, wobei das dritte Glied mit dem ersten Glied mit Hilfe einer Kugel (55) synchronisiert ist, die koaxial zu ihrer Achse das eine dieser Glieder trägt und die mit einem sehr geringen Spiel sich in dem anderen Glied (52) gleitend verschiebt^und daß diese Anordnung sich identisch für eine beliebige Anzahl von Gliedern wiederholt.

2. Vielgliedriger Arm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paar Seile (60, 61) parallel zur Achse des letzten Gliedes (23) mit jeweils einem ihrer Enden in zwei senkrechten Ebenen, welche die Achse dieses letzten Gliedes enthalten, befestigt sind, jedes dieser Seile durch Hüllenstücke (62, 63), die auf den Zwischengliedern befestigt sind, bis zu den Hülsenteilen, die an dem festen Bauteil (19) befestigt sind, geführt werden, der seinerseits an demjenigen Teil (73) des Roboters befestigt sind, der den vielgliedrigen Arm aufnimmt, daß jedes der Seile an seinem zweiten Ende an der verschiebbaren Stange einer Winde (64, 65) befestigt ist, deren Gehäuse seinerseits an demjenigen Teil (73) des Roboters sitzen, der den vielgliedrigen Arm aufnimmt; daß zwei senkrecht einander gegenüberliegende Winden durch ein gleiches Servoventil derart gespeist werden, daß die Stange des Kolbens der einen ausgeschoben wird, während die andere eingezogen wird.

3. Vielgliedriger Arm nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung des vielgliedrigen Armes im Raum mit Hilfe von zumindest zwei

7739666 20.04.78

Seilen gemessen wird, die an dem letzten Glied (23) befestigt und von Hülsenabschnitten (62, 63) geführt werden,die an den Zwischengliedern sitzen, bis zu einem Hülsenabschnitt, der fest mit dem festen Bauteil (19) verbunden ist, wobei jedes dieser Seile überdies an den verschiebbaren Teil eines Meßgerätes angeschlossen ist, dessen fester Teil fest mit dem Teil des Roboters verbunden ist, der den vielgliedrigen Arm trägt und dadurch, daß die zwei Seile in Ebenen liegen, welche die Achse des letzten Gliedes enthalten und vorzugsweise um 90° gegeneinander versetzt sind, wobei die erwähnten Ebenen von denjenigen Ebenen unterschieden sind, welche die Betätigungsseile des vielgliedrigen Armes aufnehmen.

H. Vielgliedriger Arm nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung der beiden Freiheitsgrade des Armes sowie das Messen seiner Stellung ausgehend von irgendeinem Glied erfolgt, das zwischen dem ersten (2) und dem letzten (23) liegt.

7739666 20.04.78