NL8402765A - Manipulator met zes vrijheidsgraden. - Google Patents

Description

♦ PHN 11.143 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Manipulator met zes vrijheidsgraden.

De uitvinding heeft betrekking op een manipulator met een ten opzichte van een vast gestel in drie onderling nagenoeg loodrechte translatierichtingen en ten minste eüh rotatierichting verplaatsbrare dbjecthouder die door identieke draadvormige eerste en tweede koppel-g organen is verbonden met aan het gestel bevestigde eerste en tweede, onderling identieke aandrijf organen voor de eerste en tweede trans la-tierichting, terwijl de dbjecthouder is ondersteund door een in zijn neutrale stand verticaal gericht draaövormig derde koppelorgaan voor een derde trans latierichting dat is verbanden met een aan het gestel 10 bevestigde derde aandrijforgaan, welke tafel door een vierde koppelorgaan is verbanden met een aan het gestel bevestigd vierde aandrijforgaan voor rotatie in een eerste rotatierichting.

Bij een bekende manipulator van de in de aanhef genoemde soort (uit het Britse octrooischrift nr. 1.146.472} kan de tafel drie 15 translaties uitvoeren in drie onderling nagenoeg loodrechte coördinaat-richtingen, alsmede éeh rotatie cm een as die loodrecht staat op het vlak van de tafel. Een van de translaties vindt plaats in een richting loodrecht op het vlak van de tafel door middel van een koppelorgaan en een aandrijforgaan waarvan de constructie wezenlijk verschilt van de 20 constructie van de koppelorganen en aandrijforganen voor de overige twee translatierichtingen.

Een bezwaar van de bekende manipulator is dat een relatief s groot aantal onderdelen van verschillende soort noodzakelijk is voor de koppelorganen en aandrijforganen van de verschillende translatie-25 richtingen. Bovendien is het aantal vrijheidsgraden van de bekende manipulator beperkt tot vier waardoor rotatie van de tafel on slechts een rotatieas mogelijk is.

Het doel van de uitvinding is een manipulator te verschaffen waarin de genoemde bezwaren worden vermeden.

3p Een manipulator volgens de uitvinding heeft daartoe tot kenmerk, dat het eerste, tweede en derde koppelorgaan en het eerste, tweede en derde koppelorgaan onderling identiek zijn, terwijl de objecthouder verder is verbonden met een aan. het gestel bevestigd vijfde en zesde aan- 8402765 PHN 11,143 2 * *· t drijf orgaan door middel van een vijde en zesde koppelorgaan voor rotatie in respectievelijk een tweede en derde rotatierichting, waarbij het vierde, vijde en zesde koppelorgaan en het vierde, vijfde en zesde aandrijf orgaan onderling identiek zijn.

5 Doordat zowel de drie koppelorganen en aandrijf organen voor de drie translatierichtingen als de drie koppelorganen en aandrijforganen voor de drie rotatierichtingen onderling identiek zijn is een modulaire opbouw van de manipulator verkregen die leidt tot een relatief klein aantal verschillende onderdelen. De manipulator is derhalve eenvoudig 10 van constructie en kan in massafabricage op relatief goedkope wijze worden vervaardigd. Dit is vooral van belang voor die manipulatoren, zogenaamde micromanipulatoren, die moeten functioneren in het sub-micron gebied waarbij zware eisen worden gesteld aan toleranties. Door de modulaire opbouw van de manipulator en het daaruit voortvloeiende aan-15 zienlijk kleinere aantal gelijke onderdelen is het relatief eenvoudig een nauwkeurige constructie te verkrijgen.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van de manipulator die nagenoeg spelingsvrij is heeft verder tot kenmerk, dat het eerste, tweede en derde koppelorgaan elk een draadveer bevatten die nabij zijn eerste uiteinde 20 ingeklemd in de tafel en nabij zijn tweede uiteinde is ingeklemd in een door eenmicro-aandrijving draaibare eerste soort hefboom die samen met de micro-aandri jving het betreffende aandrijf orgaan vormt.

Een. verdere uitvoeringsvorm van de manipulator waarin de rotaties van de tafel in principe onafhankelijk zijn van de translaties 25 heeft tot kenmerk, dat het vierde, vijfde en zesde koppelorgaan elk een eerste paar onderling evenwijdige ingeklemde draadveren bevatten dat een eerste parallelogramverbinding vormt tussen de objecthouder en een star verbindingsorgaan, terwijl een tweede paar aan het eerste paar evenwijdige ingeklemde draadveren een tweede parallelogramverbinding 2Q vormt tussen het starre verbindingsorgaan en een door een micro-aandrij-ving draaibare tweede soort hefboom die samen met de micro-aandri jving het betreffende aandrijf orgaan vormt.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: 35 figuur 1 een doorsnede toont van de manipulator, figuur 2 een doorsnede toont langs de lijn II-II in figuur 1, figuur 3 een doorsnede toont langs de lijn III-III in figuur 1, figuur 4 een doorsnede toont langs de lijn IV-IV in figuur 3,‘ 8402765 PHN 11.143 3 • · 4 figuur 5 een aanzicht respectievelijk doorsnede toont volgens de pijl V in figuur 1.

De met de figuren 1 en 2 geïllustreerde manipulator bezit een in een vast gestel 1 opgestelde basisplaat 3. Een verticale twee-g zijdig ingeklemde draadveer 5 (derde koppelorgaan) met een ronde dwarsdoorsnede is nabij zijn beide uiteinden voorzien van dunne, buigzame gedeelten 7 en 9 waartussen zich een dikker, relatief stijf middengedeelte 6 bevindt. De buigzame gedeelten 7 en 9 zijn bevestigd in lagefbussen 11 en 12. De lagerbus 11 op zichzelf is verend ingeklemd in een uitspa-10 ring 13 van een kom 15, terwijl de lagerbus 12 op zichzelf verend is ingeklemd in een uitsparing 14 van een in het vervolg nog te bespraken hefboom 16 (eerste soort hefboom). Op de kom, 15 is met een bout 17 een schijf 19 geschroefd waarop een objecthouder in de vorm van een tafel 21 is bevestigd. De om de kom 15 heen grijpende tafel 21 is met een 15 schroef 23 ten opzichte van de schijf 19 gefixeerd. Door middel van het gedeelte 9 is de tweezijdig ingeklemde draadveer 5 buigzaam in alle richtingen ten opzichte van de hefboom 16. De dikte (stijfheid) van de draadveer 5 en het gewicht van de kom 15, de schijf 19 en de tafel 21 zijn zodanig dat geen uitknikken van de draadveer 5 plaatsvindt. Aan een 20 vast opgesteld tussenblok 25 is een tweede basisplaat 27 bevestigd die evenwijdig is aan de eerste basisplaat 3. De basisplaten 3 en 27 vormen samen met het tussenblok 25 het gestel 1,

Een eerste koppelorgaan voor de eerste translatierichting X (zie figuren 1 en 5) bevat een tweezijdig ingeklemde ronde draadveer 2g 29 waarmee een trekkracht kan worden uitgeoefend op de kom 15. De draadveer 29 is aan zijn naar de kon 15 toe gekeerde uiteinde voorzien van een lagerbus 31 die verend is ingeklemd in een uitsparing 33 van de kom 15.

Aan zijn andere uiteinde is de draadveer 29 geklemd in een hefboom 35 van de eerste soort die draaibaar is on een as loodrecht op het vlak 3Qvan tekening in figuur 1. De inklerrming van de draadveer 29 in de hefboom 35 wordt verkregen door een aan de draadveer bevestigde lagerbus 37 met een bout 39 verend in te kleumen in een boring in de hefboom 35. Aan de eerste basisplaat 3 is een blok 41 bevestigd waarop twee paren van elkaar loodrecht kruisende bladveren 43 en 45 zijn vastgeklemd. De bladveren 35 43 en 45 zijn eveneens vastgeklemd op de hefboom 35 zodat een tweezijdige inklemming is verkregen. Omdat de kruisingsassen van de beide paren bladveren 43 en 45 samenvallen wordt een draaiingsas 47 voor de hefboom 35 gevormd die tijdens rotatie van de hefboom nagenoeg op zijn plaats 8402765 _____ - - ' PHN 11.143 4 ! i blijft. Een trekveer 49 is nabij zijn ene uiteinde verbonden met de hefboom 35 en nabij zijn andere uiteinde met de eerste basisplaat 3.

De rotatie van de hefboom 35 om de draaiingsas 47 wordt verkregen door middel van een op zichzelf bekende (uit "Feinmechanische Bauelemente", 5 1972 van S. Hildebrand) zogenaamde micro-aandrijving 51 met differentiaal-werking die een stoter 53 bevat die aanligt tegen de hefboom 35. De micro-aandrijving 51 wordt met de hand bediend maar kan ook worden gekoppeld met een electromotor die al of niet servo gestuurd kan zijn. De hefboom 35 vormt tezamen met de micro-aandrijving 51 het eerste aandrijf-10 orgaan.

Een tweede koppelorgaan voor de tweede trans latierichting Y (zie figuur 5) is identiek aan het eerste koppelorgaan voor de eerste translatierichting X en wordt derhalve niet nader beschreven. Een aan de draadveer 29 identieke draadveer 53 is gedeeltelijk zichtbaar in figuur 15 5. Ook in dit geval, wordt de betreffende hefboom geroteerd met behulp van een op zichzelf bekende micro-aandrijving die identiek is aan de micro-aandrijving 51 en tezamen met de hefboom het tweede aandrijf orgaan vormt.

Ook een derde koppelorgaan met draadveer 5 voor de derde translatierichting Z (zie figuur 4) dat identiek is aan het eerste en 20 tweede koppelorgaan wordt kortheidshalve niet nader omschreven. Door middel van de lagerbus 12 is de draadveer 5 verend ingeklemd in de hefboom 16. Opgemerkt wordt dat ook de draadveren 29 en 53 op identieke wijze als de draadveer 5 een relatief stijf dikker middengedeelte en dunne buigzame uiteinden bezitten (niet met verwijzingscijfers aangeduid). In de neu-25 trale stand van de manipulator respectievelijk tafel 21 staan de draadveren 29 en 53 loodrecht op elkaar en liggen in eenzelfde vlak. De draadveer 5 strekt zich dan uit in verticale richting in een vlak dat loodrecht staat op het vlak door de draadveren 29 en 53.

Een vierde koppelorgaan voor de eerste rotatierichting ψ ^ 30 (zie figuren 1 en 2) bevat een star verbindingsorgaan 57 in de vorm van een pijp en twee paren evenwijdige en identieke draadveren 59 en 61 die verend zijn ingeklemd in respectievelijk de kom 15 en en een hefboom 63 van de tweede soort. De vier draadveren 59 en 61 zijn nabij hun ene uiteinde alle ingeklemd in het verbindingsorgaan 57 en nabij 35 hun andere uiteinde respectievelijk in een flens 65 van de kom 15 en in de hefboom 63. De twee draadveren 59 zijn derhalve ingeklemd in de flens 65, terwijl de twee draadveren 61 zijn ingeklemd in de hefboom 63. Zodoende vormen de draadveren 59 een parallelogram verbinding tussen het 8402765 • * <· · PHN 11.143 5 verbindingsorgaan 57 en de flens 65, terwijl de draadveren 61 een parallelogram verbinding vormen tussen het verbindingsorgaan 57 en de hefboom 63. Het verbindingsorgaan 57 wordt gevormd door een pijp 67 met flenzen 69 en 71 waarin de draadveren 61 en 63 verend zijn geklemd 5 (zie fig. 5). m de pijp 67 strekt zich de draadveer 29 uit voor de eerste translatierichting X. De hefboom 63 van de tweede soort is draaibaar cm een as 73 in de eerste rotatierichting f χ. .De as 73 wordt gevormd door twee paren elkaar loodrecht kruisende bladveren 75 en 77 die aan hun ene uiteinde zijn ingeklemd in de hefboom 63 en aan hun andere 10 uiteinde in de eerste basisplaat 3. De rotatie in de eerste rotatierichting f erode as 73 wordt verkregen door middel van een op zichzelf Λ békende zogenaamde micro-aandrijving 79 die een stoter 81 bevat die . aanligt tegen de hefboom 63 (zie figuur 2). De micro-aandrijving 79 wordt met de hand bediend maar kan ook worden aangedreven met een electromotor.

15 Een drukveer 83 is ingeklemd tussen de hefboem 63 en een aan de eerste basisplaat 3 bevestigde ondersteuning 85. De as 73 blijft nagenoeg op zijn plaats bij rotatie van de hefboem63. Door het stijve verbindingsorgaan 57 wordt een via de draadveren 63 doorgegeven rotatie van de hefboem 63 cm de as 73 via de draadveren 61 nauwkeurig overgebracht op 20 de flens 65 van de kon 15.

Een vijfde koppelorgaan voor de tweede rotatierichting (zie figuur 5) is geheel identiek aan het vierde koppelorgaan voor de eerste rotatierichting ^χ en wordt derhalve niet nader beschreven. Een aan het verbindingsorgaan 57 identiek verbindingsorgaan 87 is gedeeltelijk 25 zichtbaar in figuur 5. Ook de rotatie wordt verkregen door een aan de micro-aandrijving 79 identieke micro-aandrijving. De verbindingsorganen 57 en 87 (voor f χ en ψ γ) kunnen worden gepositioneerd met behulp van draadveren 89 en 91 die aan hun ene uiteinde zijn bevestigd aan het betreffende verbindingsorgaan en aan hun andere uiteinde aan een gemeen-30 schappelijk, vast qpgesteld blok 93.

Een zesde koppelorgaan voor de derde rotatierichting ^ is van gelijke constructie als het vierde en vijfde koppelorgaan voor de rotatierichtingen ^χ en De rotatie in de richting ^ beeft echter een andere uitwerking op de kou 15 en de draadveer 5 als de rotaties·'in 35 de richtingen f ^ en zoals nog nader zal worden toegelicht.

Het zesde koppelorgaan bevat een star pijpvormig verbindingsorgaan 95 en een hefboem 97 van de tweede soort. Het verbindingsorgaan 95 is door middel van twee paren evenwijdige en identieke draadveren 99 8402765 « ~ PHN 11.143 6 en 101 (zie fig. 4) respectievelijk verbonden met de kom 15 en de hefboom 97. De vier draadveren 99 en 101 zijn nabij hun ene uiteinde alle ingeklemd in het verbindingsorgaan 95 en nabij hun andere uiteinde respectievelijk in een aan de flens 65 van de kom 15 bevestigd blok 103 5 en in de hefboom 97. Door de twee draadveren 99 wordt een parallelo-gramverbinding gevormd tussen het verbindingsorgaan 95 en het blok 103, terwijl door de twee draadveren 101 een paral le logramverbinding gevormd wordt 'tussen het verbindingsorgaan 95 en de hefboom 97. Het verbindingsorgaan 95 bevat een pijp 105 met flenzen 107 en 109 waarin de draadveren 10 99 en 101 zijn geklemd. In de pijp 15 strekt zich de draadveer 5 uit voor de derde translatierichting Z. De hefboom 97 is draaibaar cm een as 111 in de derde rotatierichting De as 111 wordt gevormd door twee paren elkaar loodrecht kruisende bladveren 113 en 115 die aan hun ene uiteinde zijn ingeklemd in de hefboom 97 en aan hun andere uiteinde 15 in het tussenblok 25 dat zowel aan de eerste basisplaat 3 als aan de tweede basisplaat 27 is bevestigd. De rotatie in de derde rotatierichting om de as 111 wordt verkregen door middel van een op zichzelf bekende micro-aandrijving 119 die een stoter 121 bevat die aanligt tegen de hefboom 97 (zie figuur 3). De micro-aandrijving 119 wordt met de hand 20 bediend maar kan ook worden aangedreven door een electromotor. De as 111 blijft nagenoeg op zijn plaats bij rotatie van de hefboom 97. Ook het verbindingsorgaan 95 wordt gepositioneerd met behulp van een draadveer 118 die is bevestigd aan een vast opgesteld blok 120.

Terwijl de draadveer 5 bij de beide rotaties in de rotatie-25 richtingen ƒ χ en op buiging wordt belast, wordt de draadveer 5 bij rotatie in de rotatierichting ψ „ op torsie belast (zie figuur 3).

U

Omdat voor alle translaties en rotaties gebruik wordt gemaakt van buigzame draadveren kunnen alle bewegingen, dat wil zeggen drie translaties en drie rotaties, tegelijkertijd plaatsvinden. Een translatie in één 30 van de translatierichtingen heeft tevens een translatie in de beide andere translatierichtingen tot gevolg. Dit is niet het geval bij de rotaties. De rotaties beïnvloeden elkaar onderling niet.

Opgemerkt wordt dat alle draadveren zijn vastgelijmd in lagerbussen, terwijl alle lagerbussen verend zijn ingeklemd. Zoals duide-35 lijk wordt uit fig. 5 kan een dergelijke inklemming worden verkregen door insnijdingen die verend worden belast door een bout. De manipulator is verder voorzien van een kap 121 en een afscherming 123.

De draardvormige koppelorganen kunnen bestaan uit draden die 8402765 « * * PHN 11.143 7 over hun gehele lengte een constante doorsnede bezitten. Indien echter gebruik wordt gemaakt van verdunde ronde eindgedeelten kan het middengedeelte een andere dan ronde doorsnede bezittel, bijvoorbeeld een vierkante doorsnede. De draadveren 5, 29 en 53 kunnen worden vervangen door 5 relatief stijve draadvormige staafjes die aan hun beide uiteinden een kogeloplegging bezitten. Dergelijke staafjes kunnen kantelen in alle noodzakelijke richtingen. De term draadvormig koppelorgaan dient derhalve zo ruim te worden opgevat dat dergelijke draadvormige staafjes mede worden cmvat. De draaibare hefbomen van de eerste en tweede soort kunnen 10 worden vervangen door translatiemechanismen van velerlei constructie.

Ook de micro-aandrijvingen kunnen van een andere dan de aangegeven soort zijn. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk cm gebruik te maken van piezo-elektrisch of magnetostrictief werkende micro-aandrijvingen.

De manipulator kan vooral met vrucht worden toegepast voor het 15 uitvoeren van kleine verplaatsingen van een object in het sub-micron gebied, waarbij de dbjecthouder bijvoorbeeld een grijper van een robot kan zijn. Te denken valt bijvoorbeeld aan het uitrichten van vaste stof lasers op optische vezels, het positioneren van video recorder koppen, het positioneren van een te belichten object ten opzichte van de belich-20 tingsbron in de halfgeleidertechniek en het positioneren van een te onderzoeken monster in een röntgen-diffractie apparaat.

25 30 35 8402765

Claims (2)

1. 2. Manipulator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het eerste, 20 tweede en derde koppelorgaan elk een draadveer bevatten die nabij zijn eerste uiteinde is ingeklemd in de tafel en nabij zijn tweede uiteinde is ingeklemd in een door een micro-aandrijving draaibare eerste soort hefboom die samen met de micro-aandrijving het betreffende aandrijf orgaan vormt.
2. 3. Manipulator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het vier de, vijfde en zesde koppelorgaan elk een eerste paar onderling evenwijdige ingeklemde draadveren bevatten dat een eerste parallelogramverbinding vormt tussen de objecthouder en een star verbindingsorgaan, terwijl een tweede paar aan het eerste paar evenwijdige ingeklemde draadveren een 30 tweede parallelogramverbinding vormt tussen het starre verbindingsorgaan en een door een micro-aandrijving draaibare tweede soort hefboom die samen met de micro-aandrijving het betreffende aandrijf orgaan vormt. • 35 8402765