FR2563141A1

FR2563141A1 - ARTICULATED MECHANISM FORMING A WRIST FOR ROBOT

Info

Publication number: FR2563141A1
Application number: FR8505802A
Authority: FR
Inventors: Albert Joseph Sturm Jr
Original assignee: GCA Corp
Current assignee: GCA Corp
Priority date: 1984-04-18
Filing date: 1985-04-17
Publication date: 1985-10-25
Also published as: GB8509850D0; GB2157649A; DE3513056A1; JPS6130386A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN MECANISME ARTICULE FORMANT UN POIGNET DE ROBOT. ELLE SE RAPPORTE A UN MECANISME ARTICULE PERMETTANT UN MOUVEMENT AUTOUR DE TROIS AXES SECANTS. UN PREMIER MOTEUR FAIT TOURNER LE MECANISME AUTOUR D'UN AXE VERTICAL, ET DEUX AUTRES MOTEURS 35, 37 ATTAQUENT DEUX REDUCTEURS CONIQUES SYMETRIQUES MONTES DE PART ET D'AUTRE D'UN DIFFERENTIEL 45. DE CETTE MANIERE, LORSQUE LES DEUX MOTEURS TOURNENT DANS LE MEME SENS, L'ORGANE DE TRAVAIL BASCULE ALORS QUE, LORSQUE LES DEUX MOTEURS TOURNENT EN SENS INVERSES, L'ORGANE DE TRAVAIL TOURNE AUTOUR D'UN AXE VERTICAL. APPLICATION AUX ROBOTS.THE INVENTION RELATES TO AN ARTICULATED MECHANISM FORMING A ROBOT WRIST. IT RELATES TO AN ARTICULATED MECHANISM ALLOWING MOVEMENT AROUND THREE SECONDING AXES. A FIRST MOTOR ROTATES THE MECHANISM AROUND A VERTICAL AXIS, AND TWO OTHER MOTORS 35, 37 ATTACK TWO SYMMETRICAL CONICAL GEARBOXES MOUNTED ON EITHER DIFFERENTIAL 45. IN THIS WAY, WHEN BOTH MOTORS ROTATE IN THE IN THE SAME DIRECTION, THE WORK BODY TILTS WHILE, WHEN THE TWO MOTORS ROTATE IN REVERSE DIRECTION, THE WORK BODY TURNS AROUND A VERTICAL AXIS. APPLICATION TO ROBOTS.

Description

La présente invention concerne un mécanisme articulé formant un poignetThe present invention relates to an articulated mechanism forming a wrist

pour robot et mobile suivant trois axes, et plus précisément un tel ensemble destiné à supporter un ensemble à tube télescopique porté par un portique. L'invention concerne en particulier un mécanisme articulé formant poignet destiné à un manipulateur à for robot and mobile along three axes, and more specifically such an assembly for supporting a telescopic tube assembly carried by a gantry. The invention particularly relates to an articulated mechanism forming a wrist for a manipulator to

robot du type décrit dans la demande de brevet des Etats- robot of the type described in the US patent application.

Unis d'Amérique n 439 601 cédée à la Demanderesse. United States of America No. 439,601 assigned to the Applicant.

Dans cette demande précitée de brevet, un manipu- In this aforementioned patent application, a manipulator

lateur de robot comporte un -portique qui supporte un poignet classique mobile suivant trois axes, les mouvements lateur robot has a -portique that supports a classic mobile wrist along three axes, movements

suivant chacun des trois axes étant commandés indépendam- following each of the three axes being independently controlled

ment par un dispositif à moteur, les axes des moteurs étant disposés le long de l'axe d'entraînement de manière qgénérale. Bien que le moteur destiné à faire tourner l'axe vertical puisse être facilement positionné dans un ensemble ayant un tube télescopique, le moteur destiné à faire basculer l'organe de travail dépasse latéralement du mécanisme et limite ainsi le déplacement dans certaines applications, et le moteur destiné à faire tourner l'organe de travail d'extrémité lui-même est incorporé dans un ! bras d'une longueur appréciable, partant du poignet, si bien que cet outil de travail d'extrémité lui-même ne The motor axes are arranged along the drive axis in a general manner. Although the motor for rotating the vertical axis can be easily positioned in an assembly having a telescopic tube, the motor for tilting the work member protrudes laterally from the mechanism and thus limits the movement in certain applications, and the motor for rotating the end working member itself is incorporated in a! arms of appreciable length, starting from the wrist, so that this end working tool itself does not

peut pas être monté près de l'intersection des trois axes. can not be mounted near the intersection of the three axes.

L'invention concerne ainsi la réalisation d'un mécanisme pour robot, sous forme d'un poignet mobile suivant trois axes, permettant le montage d'un organe de travail à proximité des axes, un mécanisme à poignet exceptionnellement peu encombrant, permettant à un ensemble à tube télescopique d'approcher très près d'une pièce, de n'importe quel côté, un tel mécanisme dans lequel les trois axes se recoupent en un point, permettant des déplacements composites de l'organe de travail monté à l'extrémité; elle concerne en outre un tel mécanisme qui permet une The invention thus relates to the production of a mechanism for a robot, in the form of a mobile wrist along three axes, for mounting a working member close to the axes, an exceptionally compact wrist mechanism, allowing a telescopic tube assembly to approach very close to a part, on any side, such a mechanism in which the three axes intersect at a point, allowing composite movements of the end-mounted working member ; it also concerns such a mechanism which allows a

rotation illimitée de l'organe de travail monté à l'extré- unlimited rotation of the working device mounted at the end

mité autour du troisième axe ou axe final, le mécanisme étant très fiable, pouvant manier de lourdes charges, tout en ayant une construction relativement simple et around the third axis or final axis, the mechanism being very reliable, able to handle heavy loads, while having a relatively simple construction and

peu coûteuse.inexpensive.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- Other features and advantages of the invention

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, tion will become more apparent from the following description,

faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une perspective d'un robot à portique ayant un mécanisme à trois axes en forme de poignet selon l'invention; with reference to the accompanying drawings in which: Figure 1 is a perspective view of a portal robot having a wrist-shaped three-axis mechanism according to the invention;

la figure 2 est une élévation frontale du méca- FIG. 2 is a frontal elevation of the mechanism

nisme;ism;

la figure 3 est une élévation latérale du méca- FIG. 3 is a side elevation of the mechanism

nisme;ism;

la figure 4 est une coupe partielle sensi- FIG. 4 is a partial sectional view of

blement suivant la ligne 4-4 de la figure 3, représentant le dispositif d'entraînement en rotation autour du premier axe, c'est-à-dire de l'axe vertical; la figure 5 est une coupe sensiblement suivant la ligne 5-5 de la figure 2, représentant l'un de deux along line 4-4 of Figure 3, showing the device for driving in rotation about the first axis, that is to say of the vertical axis; FIG. 5 is a section substantially along the line 5-5 of FIG. 2, representing one of two

dispositifs semblables à moteur destiné à assurer l'en- similar engine-powered devices to ensure the en-

traînement autour du second et du troisième axe; et la figure 6 est une coupe partielle suivant la ligne 4-4 de la figure 3 représentant un ensemble différentiel destiné à combiner les mouvements des deux dispositifs semblables à moteur afin qu'ils permettent dragging around the second and third axes; and FIG. 6 is a partial section along the line 4-4 of FIG. 3 showing a differential assembly for combining the movements of the two similar motor devices to enable them to

des rotations autour du second et du troisième axe. rotations around the second and third axis.

Sur les diverses figures, les références iden- In the various figures, the references

tiques désignent des éléments correspondants. ticks designate corresponding elements.

La figure 1 représente un bâti 11 qui porte deux ensembles 13 ayant chacun un rail. Un pont 17 est mobile le long des rails et il porte lui- même un chariot 19 sur lequel est supporté un ensemble 23 à tube télescopique en direction verticale. A l'extrémité inférieure du tube télescopique 23, un mécanisme constituant un poignet mobile suivant trois axes selon l'invention, portant la référence générale 24, est monté. Ce poignet porte un outil ou Figure 1 shows a frame 11 which carries two sets 13 each having a rail. A bridge 17 is movable along the rails and it itself carries a carriage 19 on which is supported a set 23 with a telescopic tube in the vertical direction. At the lower end of the telescopic tube 23, a mechanism constituting a wrist in three axes according to the invention, bearing the general reference 24, is mounted. This wrist is wearing a tool or

organe 25 de travail, à l'extrémité. working member, at the end.

La demande précitée de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 439 601 décrit en détail le fonctionnement du chariot monté sur le pont et du tube télescopique, mais il faut noter, dans le présent mémoire, que le déplacement le long de chacun des trois axes orthogonaux est commandé par un circuit à moteur d'asservissement. Par- exemple, chacune des boucles d'asservissement a un servomoteur continu destiné à exercer une force motrice et un circuit détecteur indépendant, par exemple un résolveur ou un dispositif de repérage destiné à déterminer indépendamment l'importance du mouvement réel suivant chaque axe. Comme The above-mentioned United States Patent Application No. 439,601 describes in detail the operation of the bridge-mounted carriage and the telescopic tube, but it should be noted here that the displacement along each of the three Orthogonal axes is controlled by a servo motor circuit. For example, each of the servo loops has a continuous servomotor for exerting a driving force and an independent detector circuit, for example a resolver or a tracking device for independently determining the amount of real motion along each axis. As

décrit dans la demande précitée de brevet, il est avanta- described in the aforementioned patent application, it is

geux, dans le cas des robots de ce type qui ont un portique, qu'ils puissent fonctionner d'une manière relativement uniforme dans un grand volume et que ce volume 'puisse être facilement agrandi ou réaménagé. En outre, comme In the case of robots of this type having a gantry, they can operate in a relatively uniform manner in a large volume and this volume can be easily enlarged or refitted. In addition, as

les axes de déplacement en translation sont perpendicu- the axes of displacement in translation are perpendicular

laires les uns aux autres, le manipulateur peut être programmé d'une manière relativement facile. Un atout important pour le succès de ces manipulateurs est le montage, à l'extrémité inférieure du tube télescopique 23, d'un mécanisme formant un poignet qui permet la rotation de l'organe de travail monté à l'extrémité, de préférence autour de trois axes orthogonaux sécants, si bien que le positionnement de l'organe d'extrémité peut être obtenu to each other, the manipulator can be programmed in a relatively easy manner. An important asset for the success of these manipulators is the assembly, at the lower end of the telescopic tube 23, of a mechanism forming a wrist which allows the rotation of the working member mounted at the end, preferably around three orthogonal intersecting axes, so that the positioning of the end member can be obtained

avec une souplesse maximale.with maximum flexibility.

La figure 2 représente le mécanisme à poignet mobile suivant trois axes qui comporte une plaque 27 de montage destinée à sa fixation à la partie inférieure du tube télescopique 23. Un carter tubulaire 29 est monté FIG. 2 shows the three-axis movable wrist mechanism comprising a mounting plate 27 for attachment to the lower part of the telescopic tube 23. A tubular housing 29 is mounted

sous la plaque 27 et constitue essentiellement un prolon- under plate 27 and essentially constitutes a prolongation

gement du dernier tronçon de tube télescopique. Un organe d'entra nement en rotation décrit plus en détail dans la suite est monté dans ce carter tubulaire et il est destiné à faire tourner un organe 33 de base autour de the last section of telescopic tube. A rotational drive member described in more detail below is mounted in this tubular housing and is adapted to rotate a base member 33 around the housing.

l'axe (vertical) du tube télescopique 23. the axis (vertical) of the telescopic tube 23.

L'organe 33 de base porte deux ensembles allongés et 37 à moteur qui sont montés verticalement afin The base member 33 carries two elongated and 37 motorized assemblies which are vertically mounted to

qu'ils soient parallèles au tube 29 et très près de celui- that they are parallel to the tube 29 and very close to that

ci, ainsi que de l'organe d'entraînement en rotation qui y est contenu. Chacun des ensembles à moteur 35 et 37 entraîne un réducteur 41, 43 ayant des pignons coniques, changeant la direction de l'axe d'entraînement en rotation du moteur de 90 . Un carter 45 de réducteur est monté ci, as well as the rotational drive member contained therein. Each of the motor assemblies 35 and 37 drives a gearbox 41, 43 having bevel gears, changing the direction of the rotational drive shaft of the motor by 90. A housing 45 of reducer is mounted

entre les pignons coniques et contient un différentiel 47. between the bevel gears and contains a differential 47.

Celui-ci a deux organes d'entrée alignés mais opposés, constituant des arbres, entraînés chacun par l'un des This one has two aligned but opposite input organs, constituting trees, each driven by one of the

pignons coniques 41 et 43 du réducteur d'angle. Le diffé- bevel gears 41 and 43 of the angle reducer. The difference

rentiel a aussi un arbre de sortie qui porte une plaque 49 de montage sur laquelle peut être monté un organe de travail du robot. Chacun des sousensembles est décrit plus en détail dans la suite en référence à un coupe correspondante. La figure 4 indique que le carter ou boîtier tubulaire 29 a un tube interne 51 raccordé rigidement à la plaque 27 de montage, et un tube externe 53 qui peut tourillonner sur le tube interne au niveau de paliers 54 et 55. Un servomoteur continu allongé 56 est monté dans le tube interne et l'arbre de sortie du moteur entraîne There is also an output shaft which carries a mounting plate 49 on which a working member of the robot can be mounted. Each of the subassemblies is described in more detail below with reference to a corresponding section. Figure 4 indicates that the housing or tubular housing 29 has an inner tube 51 rigidly connected to the mounting plate 27, and an outer tube 53 which can journal on the inner tube at bearings 54 and 55. An elongated continuous servomotor 56 is mounted in the inner tube and the output shaft of the motor drives

l'arbre d'entrée d'un réducteur harmonique de vitesse 57. the input shaft of a speed harmonic gearbox 57.

Ce réducteur 57 entraîne lui-même le tube externe 53, par exemple par l'intermédiaire d'un arbre de sortie 58 raccordé à la plaque 49 de montage avec le tube externe 53. Un résolveur 59 d'asservissement est destiné à détecter directement la position angulaire de l'arbre 58 de sortie et à transmettre un signal de réaction qui peut être utilisé pour la commande de l'excitation du servomoteur 56 indépendamment du jeu ou des erreurs de décalage du système mécanique de montage. Les avantages d'une telle commande par réaction sont décrits plus en détail dans This reducer 57 itself drives the outer tube 53, for example by means of an output shaft 58 connected to the mounting plate 49 with the outer tube 53. A servo resolver 59 is intended to directly detect the angular position of the output shaft 58 and to transmit a feedback signal which can be used to control the excitation of the servomotor 56 independently of the play or offset errors of the mechanical mounting system. The advantages of such a reaction control are described in more detail in

la demande précitée de brevet des Etats-Unis d'Amérique. the aforementioned United States patent application.

Le dispositif 35 à moteur est représenté plus en détail sur la figure 5. Il faut noter que le dispositif 37 à moteur est pratiquement identique bien qu'il soit monté de l'autre côté de la plaque 33, et on ne le décrit The motor device 35 is shown in greater detail in FIG. 5. It should be noted that the motor device 37 is substantially identical although it is mounted on the other side of the plate 33 and is not described.

donc pas séparément.so not separately.

De la même manière que pour le dispositif d'en- In the same way as for the

tra nement en rotation autour de l'axe vertical, chacun des deux moteurs 35 et 37 comporte un servomoteur continu allongé 61 qui entraîne un réducteur harmonique respectif 62 de vitesse (voir figure 5). Un pignon conique, de préférence de type hypoide dans lequel les axes des arbres d'entrée et de sortie son décalés, est associé à chaque moteur 61 et à chaque réducteur 62. L'arbre 63 de sortie du réducteur 62 entraîne le plus petit des pignons coniques, c'est-à-dire le pignon 64. Le plus grand pignon ou couronne entraîne l'arbre de sortie 66. Les deux ensembles analogues à moteur sont montés de part et d'autre de la plaque de montage ou organe de base 33 et ils ont une orientation telle que les arbres de sortie respectifs sont alignés mais tournes en sens opposés afin qu'ils puissent coopérer avec les arbres ou organes d'entrée du différentiel 47. La position angulaire réelle de chacun des arbres 66 de sortie est détectée par un résolveur 67 d'asservissement respectif qui transmet un signal de réaction que l'organe de commande du robot peut utiliser In rotation about the vertical axis, each of the two motors 35 and 37 includes an elongated continuous servomotor 61 which drives a respective harmonic gear reducer 62 (see FIG. 5). A conical pinion, preferably of hypoid type in which the axes of the input and output shafts are offset, is associated with each motor 61 and each gear 62. The output shaft 63 of the gear 62 causes the smallest of bevel pinions, that is to say the pinion 64. The largest pinion or ring gear drives the output shaft 66. The two sets of similar motor are mounted on either side of the mounting plate or member of base 33 and they have an orientation such that the respective output shafts are aligned but turned in opposite directions so that they can cooperate with the input shafts or members of the differential 47. The actual angular position of each of the output shafts 66 is detected by a respective servo resolver 67 which transmits a feedback signal that the robot controller can use

pour la commande de l'excitation du servomoteur continu 61. for controlling the excitation of the continuous servomotor 61.

On se réfère maintenant à la figure 6 sur laquelle les arbres d'entrée du différentiel portent les références 71 et 72. Ces arbres tourillonnent dans le carter 45 du différentiel et ils sont raccordés à des pignons coniques 73 et 74. Un arbre 75 de sortie tourillonne aussi dans Referring now to Figure 6 in which the input shafts of the differential carry the references 71 and 72. These shafts rotate in the housing 45 of the differential and they are connected to bevel gears 73 and 74. An output shaft 75 also tourillonne in

le carter 45, perpendiculairement aux arbres 71 et 72. the casing 45, perpendicular to the shafts 71 and 72.

L'arbre 75 porte un pignon conique 76 qui est en prise avec les deux pignons 73 et 74. L'autre extrémité de l'arbre 75 porte la plaque 49 de montage de l'organe The shaft 75 carries a conical pinion 76 which is engaged with the two pinions 73 and 74. The other end of the shaft 75 carries the plate 49 for mounting the member

de travail du robot comme décrit précédemment. working robot as previously described.

On peut noter que le carter 45 du différentiel est flottant, c'est-à-dire qu'il n'est pas fixé à l'organe de base 33 mais qu'il est simplement maintenu par les deux arbres d'entrée 71 et 72. Ainsi, il faut noter que, lorsque les arbres 71 et 72 sont entrainés en sens opposés, It may be noted that the housing 45 of the differential is floating, that is to say that it is not fixed to the base member 33 but that it is simply maintained by the two input shafts 71 and 72. Thus, it should be noted that when trees 71 and 72 are driven in opposite directions,

l'arbre de sortie tourne autour de son axe propre, c'est-à- the output shaft rotates around its own axis, that is,

dire qu'il fait tourner l'organe de travail d'extrémité autour de l'axe final (gamma). D'autre part, lorsque les deux arbres d'entrée 71 et 72 tournent dans le même sens, l'arbre 75 de sortie, avec le carter 45 et l'organe de travail, pivote autour de l'axe commun des arbres say that it rotates the end working member around the final axis (gamma). On the other hand, when the two input shafts 71 and 72 rotate in the same direction, the output shaft 75, with the casing 45 and the working member, pivots about the common axis of the shafts.

du différentiel.of the differential.

On peut noter, d'après la description qui précède, It may be noted from the foregoing description that

qu'aucun des deux moteurs 35 et 37 n'assure une commande indépendante autour de l'un quelconque des deux axes finaux de rotation, mais que la relation assurée est de type composite. Bien que cette relation complique dans une certaine mesure la tâche de l'organe de commande, la combinaison des déplacements correspond simplement à neither of the two motors 35 and 37 provides independent control around any of the two final axes of rotation, but the assured relationship is composite. Although this relationship complicates to a certain extent the task of the control organ, the combination of displacements is simply

une sommation des signaux de position créés par les résol- a summation of the position signals created by the

veurs associés aux moteurs respectifs. Ceci diffère des relations géométriques complexes qui peuvent exister dans d'autres appareils à robot dans lesquels les axes associated with the respective engines. This differs from the complex geometric relationships that may exist in other robot devices in which the axes

de rotation ne sont pas perpendiculairesou sécants. of rotation are not perpendicular or secant.

L'avantage de ce mécanisme d'entraînement à The advantage of this training mechanism to

différentiel selon l'invention est, comme indiqué précédem- differential according to the invention is, as indicated previously

ment, que les divers moteurs allongés peuvent être montés près du tube vertical et parallèlement à celui-ci, et que l'organe de travail peut être monté très près de l'intersection des trois axes si bien qu'aucun bras de longueur notable n'est nécessaire pour la délimitation de l'espace de logement du moteur entraînant l'organe de that the various elongated motors can be mounted close to the vertical tube and parallel thereto, and that the working member can be mounted very close to the intersection of the three axes so that no arm of appreciable length is necessary for the delimitation of the motor housing space leading to the

travail autour du troisième axe (gamma). work around the third axis (gamma).

Claims

An articulated mechanism forming a wrist for a robot, characterized in that it comprises: an elongated tubular mounting member (29), a base member (33), a rotational drive device (56) aligned with the tubular member and intended to drive the base member in rotation about the axis of the tubular member, two elongated motor devices (35, 37) mounted on the base member, near the tubular member of mounting and parallel thereto, a housing (45) gearbox, a differential (47) journalled in the housing and having two input members for rotating about aligned and opposite axes, each connected to one of elongated motor devices, and an output shaft perpendicular to the input members, and a device (49) for mounting a work member, mounted on the output shaft, such that a work member carried by the mounting device (49) can be rotated about the axis of the shaft of during operation of the motor devices in opposite directions and it can pivot, with the housing, around the axes of the input members by operating the motor devices in the same direction

while being able to pivot about the axis of the tubular member

mounting wall during operation of the device

rotating drive.

2. Mechanism according to claim 1, characterized

in that the axis of the tubular mounting member (29) and the axes of the differential input shafts (47) and the axis of the differential output shaft intersect

in one thing.

3. Mechanism according to claim 1, characterized in that each of the motor devices (35, 37) comprises a DC motor, a harmonic reducer for reducing the speed of the motor, and a bevel gear for changing the direction of the motor. movement to

reduced speed.

4. Mechanism according to claim 3, characterized in that each of the motor devices (35, 37) also comprises a resolver for tansmettre a reaction signal representative of the position of the respective input member.

5. Articulated mechanism forming a robot wrist, characterized in that it comprises: an elongate tubular member (29) mounting, telescopic type, a base member (33), a rotary drive device (56) aligned on the tubular member and intended to rotate the base member around the axis of the tubular member, two elongated motor devices (35, 37) mounted on the base member near the axis of the tubular mounting member and parallel to this axis, bevel gears (73, 74) associated with each elongated motor device (35, 37) for changing the axis of rotation of the movement provided by the respective motor device, d an angle of 90, a gear housing (47) disposed between the bevel gears, a differential (47) journalled in the housing, having two input members for rotating about aligned but opposite axes, each being connected

to one of the bevel gears, and an output shaft

to the input members, and a device (49) for mounting a work member, placed on the output shaft, so that a work member carried by the mounting device (49) can be driven. in rotation about the axis of the output shaft by operation in opposite directions of the motor devices and, with the housing, it can pivot about the axis of the input members when the motor devices rotate in the same meaning, while being able to turn around the axis of the organ

tubular mounting under the control of the device

rotation.

6. Mechanism according to claim 4, characterized in that the bevel gears (73, 74) are of

hypoid type, the axes of the gears being offset.

7. Mechanism according to claim 5, characterized

in that the axis of the tubular mounting member (29) and the axes of the input members of the differential (47) and the axis of the output shaft of the differential

all cut into one common point.