SE419304B

SE419304B - Flexible robot arm

Info

Publication number: SE419304B
Application number: SE8001998A
Authority: SE
Inventors: C Davidsson
Original assignee: Robotgruppen Hb
Priority date: 1980-03-14
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1981-07-27

Abstract

Arrangement for a flexible arm, especially a robot arm, which comprises a number of segments in series and adjacent to each other, joined together via force- transmitting actuator elements. The purpose of the invention is to achieve good lateral stability for the arm perpendicular to the plane of curvature without worsening the flexibility of the arm and its ability to absorb torsional forces. This is achieved in that the segments 8, 9 in each element 11 have simplex-curved contact surfaces 5 arranged in mutually orthogonal planes, and at least one portion of the contact surfaces in each element 11 is provided with a control device 4 designed to engage and roll against each other during relative movement of the elements. <IMAGE>

Description

8601998-7 mellan elementen) som hindrar att elementen vrids vinkel- rätt mot deras rullningsplan. 8601998-7 between the elements) which prevents the elements from turning perpendicular to their rolling plane.

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en robotarm med mycket stor räckförmåga och maximalt rörelsemönster, varmed menas att den praktiskt taget når alla punkter innanför ett sfäriskt arbetsfält. Ett annat syfte är att få fram en robotarm som kan krökas, så att den kan nå en och samma punkt via ett stort antal krökningskombinationer och erhåller därigenom mycket stor åtkomlighet, vilket innebär att den t.o.m kan gå förbi hinder av olika slag eller kröka sig kring ett föremål. Genom uppfinningen erhålles vidare en arm med mycket god styvhet i elementens krökningsplan och högt torsionsmotstånd samt lägre tillverkningskostnader jämfört med konventionella industrirobotar. Detta har åstadkommits genom att segmenten i vardera element har enkelkrökta kontaktytor anordnade i sinsemellan ortogonala plan, och att åtminstone en del av kontaktytorna i varje element är försedda med styrdon utformade att vid elementens relativa rörelse gripa i och rulla mot varandra.OBJECTS AND MOST IMPORTANT FEATURES OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a robot arm with very large reach and maximum movement pattern, by which is meant that it reaches practically all points within a spherical working field. Another object is to produce a robot arm that can be curved, so that it can reach one and the same point via a large number of curving combinations and thereby obtain very large accessibility, which means that it can even go past obstacles of various kinds or bend around an object. The invention further provides an arm with very good rigidity in the curvature plane of the elements and high torsional resistance as well as lower manufacturing costs compared to conventional industrial robots. This has been achieved in that the segments in each element have single curved contact surfaces arranged in mutually orthogonal planes, and that at least a part of the contact surfaces in each element are provided with guide means designed to engage and roll towards each other during the relative movement of the elements.

Beskrivning av ritningarna Figur l visar schematiskt en sidovy av en del av en arm enligt uppfinningen och dess geometri, Figur 2 visar ett element i perspektiv, och Figur 3 är ett snitt efter linjen III~III i figur 2.Description of the drawings Figure 1 schematically shows a side view of a part of an arm according to the invention and its geometry, Figure 2 shows an element in perspective, and Figure 3 is a section along the line III ~ III in Figure 2.

Beskrivning av utföringsexempel Den böjliga armen 10 enligt uppfinningen, i fortsättningen kallad robotarmen, består av ett antal i serie anordnade element ll, vart och ett utformat som en cirkulär skiva med välvda kontaktytor. Beroende på i vilken omfattning armen skall kunna utföra böjningsrörelser, är varje element ll försett med ett antal nära ytterkanten placerade hål 12, t.ex fyra hål, anordnade på lika avstånd från s» 8001998-7 varandra och från elementens centrum för lika många påverkningsorgan lä t.ex linor. En genomgående öppning 13 är upptagen i elementens mitt. Elementen är anordnade på och med styrhålen 12 belägna mittför varandra. Till det översta elementet inom varje grupp är linorna lä fästade, medan linorna 14 passera fritt genom styrhâlen 12 i de övriga elementen ll inom samma grupp. Genom att dra i någon eller några av de utanför det sista elementet utskjutande linorna lä, kan robotarmen böjas i alla riktningar. önskas en böjningsrörelse mellan två linor lü, utsättes båda dessa för en dragkraft, varvid genom val av dragkraftens storlek böjningsrörelsen kan förskjutas mer eller mindre åt den ena eller andra linan lä. Därigenom kan även armen 10 bríngas att utföra en roterande rörelse kring sin längdaxel.Description of exemplary embodiments The flexible arm 10 according to the invention, hereinafter referred to as the robot arm, consists of a number of elements 11 arranged in series, each formed as a circular disc with curved contact surfaces. Depending on the extent to which the arm is to be able to perform bending movements, each element 11 is provided with a number of holes 12 located close to the outer edge, for example four holes, arranged at equal distances from each other and from the center of the elements for equal influencing means. lay ropes, for example. A through opening 13 is accommodated in the middle of the elements. The elements are arranged on and with the guide holes 12 located opposite each other. To the uppermost element within each group the ropes 1a are attached, while the ropes 14 pass freely through the guide holes 12 in the other elements 11 within the same group. By pulling on one or more of the ropes protruding outside the last element, the robot arm can be bent in all directions. If a bending movement is desired between two lines lü, both of these are subjected to a tensile force, whereby by selecting the magnitude of the tensile force the bending movement can be displaced more or less towards one or the other line lä. Thereby, the arm 10 can also be caused to perform a rotating movement about its longitudinal axis.

Genom de centrala öppningarna 13 i elementen kan böjliga överföringsanordningar (ej visade) dras avsedda_att överföra drag-, tryck- och/eller rotationskrafter, till ett vid armens fria ände anbragt verktyg.Through the central openings 13 in the elements, flexible transfer devices (not shown) can be pulled intended to transmit tensile, compressive and / or rotational forces, to a tool arranged at the free end of the arm.

Elementen kan sammanfattas gruppvis, där varje grupp manövreras med för denna grupp speciella linor lÄ. En arm kan således omfatta t.ex två grupper, en nedre grupp som manövreras medelst fyra linor, medan den andra gruppens element manövreras medelst fyra ytterligare linor. För att åstadkomma dubbelkrökning hos armen i ett och samma plan påverkas två diametralt mittemot belägna linor i varje grupp. Armen kan givetvis utföra böjningar i olika plan, och vara försedd med fler än två elementgrupper, så att den t.o.m kan krökas i 360° eller mer om så erfordras i flera olika plan eller riktningar.The elements can be summarized in groups, where each group is operated with ropes special for this group. An arm can thus comprise, for example, two groups, a lower group which is operated by means of four ropes, while the elements of the other group are operated by means of four further ropes. To achieve double curvature of the arm in one and the same plane, two diametrically opposite ropes in each group are affected. The arm can of course perform bends in different planes, and be provided with more than two element groups, so that it can even bend in 360 ° or more if required in several different planes or directions.

Den böjliga armen 10 är med sin ena ände ansluten till ett maskinaggregat, som för en arm bestående av två elementgrupper innehåller fyra stycken servomotorer, ßﬁ61998-7 vilka driver var sin lintrumma 15 för linorna 14' och lü". Motorerna är reversibla och så styrda att varje lina kan utsättas för en individuell reglerbar kraft under upplindningen på liksom under avlindningen från lintrumman 15. Dessutom är fjädrande förspänningsorgan 16 anordnade.The flexible arm 10 is connected at one end to a machine unit, which for an arm consisting of two element groups contains four servomotors, ß ﬁ61998-7 which each drive their own line drum 15 for the lines 14 'and lü ". The motors are reversible and so controlled that each line can be subjected to an individually adjustable force during the winding on as well as during the unwinding from the line drum 15. In addition, resilient biasing means 16 are provided.

Varje element ll består av två segmentformade kroppar 8,9 mellan vilka är anordnad en distansskiva 6. Segmenten 8, 9 har en enkelkrökt kontaktyta 5 och en plan basyta 7, med vilken segmenten ligger an mot var sin sida av distansskivan 6. Segmenten 8, 9 kan antingen vara fästade till distansskivan 6 eller också bilda ett stycke med denna. Segmenten 8 och 9 är anordnade i sinsemellan orto- gonala plan, vilket innebär att vartannat segment kan utföra en.böjningsrörelse i ett plan och varannat segment en motsvarande böjningsrörelse i ett plan vinkelrätt mot det förstnämnda. För att erhålla stabila lägen oberoende av i vilket böjningsläge de enskilda segmenten 8,9 befinner sig och utan att vara beroende av god eller dålig friktion mellan kontaktytorna 5 kan dessa vara försedda med styrdon 4, exempelvis kuggar, som samverkar med motsvarande kuggar i intillbelägna element ll vid segmentens relativa rörelse.Each element 11 consists of two segment-shaped bodies 8,9, between which a spacer plate 6 is arranged. The segments 8, 9 have a single curved contact surface 5 and a flat base surface 7, with which the segments abut each side of the spacer plate 6. The segments 8, 9 can either be attached to the spacer plate 6 or also form a piece therewith. Segments 8 and 9 are arranged in mutually orthogonal planes, which means that every second segment can perform a bending movement in one plane and every other segment a corresponding bending movement in a plane perpendicular to the former. In order to obtain stable positions regardless of the bending position in which the individual segments 8, 9 are located and without being dependent on good or bad friction between the contact surfaces 5, these can be provided with guide means 4, for example teeth, which cooperate with corresponding teeth in adjacent elements. ll at the relative movement of the segments.

Lämpligen utformas segmenten 8,9 som delar av oylindriska kugghjul, varvid den enkelkrökta kontaktytans 5 kräkninga- centrum eller centrum till kuggarnas delningscirkel är belägen utanför resp. element.Suitably the segments 8,9 are designed as parts of non-cylindrical gears, the vomiting center of the single curved contact surface 5 or the center of the dividing circle of the teeth being located outside resp. element.

Vid sidan om de med kuggar H försedda segmenten 8,9 kan i höjd med kuggroten vara anordnade släta segmentpartier 3.In addition to the segments 8,9 provided with teeth H, smooth segment portions 3 can be arranged at the height of the tooth root.

Genom att utforma segmenten 8,9 som delcylindriska kugghjul, vilka i varje element ll är anordnade 1 sinsemellan rätvinkliga plan, erhålles en växelvis utböjningsmöjlighet 8001998-7 \.."I vid varje kuggingrepp. Utböjningsvinklarna överlagras och armen får totalt sett samma rörelsemöjligheter som om kontaktytorna vore släta. Denna konstruktion medför även att mycket god vridstyvhet erhålles genom att elementen sinsemellan är formbundna. Kuggflankskontakten medför att det mellan två samverkande segment alltid råder linjekontakt. Den stora kuggbredden och/eller de släta segmentpartierna 3 medför stor kontaktyta, och därmed en fördelning av kontakttrycket på en stor yta, vilket i sin tur medför större valmöjligheter av material i segmenten. Istället för att behöva använda härdade kontakt- ytor kan med den nya anordningen även lämpliga plastmaterial, aluminium eller liknande komma till användning.By designing the segments 8,9 as sub-cylindrical gears, which in each element ll are arranged in mutually perpendicular planes, an alternating deflection possibility 8001998-7 This construction also means that very good torsional rigidity is obtained by the elements being form-bonded to each other.The tooth flank contact means that there is always line contact between two cooperating segments. of the contact pressure on a large surface, which in turn leads to greater choice of materials in the segments.Instead of having to use hardened contact surfaces, the new device can also be used with suitable plastic materials, aluminum or the like.

Vid hittills kända allsidigt böjliga robotarmar, med en led mellan varje element, är ledkroppens radie r lika med halva elementets höjd Q, dvs r = h. Detta innebär att sådana element icke har ett entydigt bestämt läge för en viss hemtagen linmängd, och en robotarm bestående av dylika element saknar därför erforderlig styvhet.In hitherto known versatile flexible robot arms, with a joint between each element, the radius r of the joint body is equal to half the height Q of the element, ie r = h. This means that such elements do not have a clearly defined position for a certain amount of rope taken home. consisting of such elements therefore lacks the required rigidity.

För att en arm bestående av ett stort antal element skall vara styv, fordras att en relativ ändring av elementens läge vid armens böjning innebär en ändring av den i systemet upplagrade energin. Ju högre detta ändringsarbete är desto stabilare är armen.In order for an arm consisting of a large number of elements to be rigid, it is required that a relative change in the position of the elements during the bending of the arm means a change in the energy stored in the system. The higher this change work, the more stable the arm.

Detta har åstadkommits enligt uppfinningen genom att varje semments 8,9 radie rår större, företrädesvis t.o.m mycket större än segmentens höjd h. Därigenom blir summan av linlängderna X1 och X2 - se figur 1 ~ vid varje godtycklig vridningsvinkel hos elementen ll aldrig lika och denna skillnad A representerar en energiändring hos armsystemet.This has been achieved according to the invention in that the radius of each segment 8.9 is larger, preferably even much larger than the height h of the segments. As a result, the sum of the line lengths X1 and X2 - see Figure 1 - at any arbitrary angle of rotation of the elements A represents an energy change in the arm system.

Eftersom summan hemtagen och utlöpt lina lU', lä" är konstant, då linan är lindad på en gemensam trumma 15, 8001998-7 kommer A att vara identisk med lintrummans rörelse.Since the sum taken home and expired line lU ', lä "is constant, when the line is wound on a common drum 15, A will be identical with the movement of the line drum.

Denna förflyttning är tillsammans med kraften hos fjädern 16 ett viktigt energitillskott för att uppnå den önskade styvheten.This movement, together with the force of the spring 16, is an important energy supplement to achieve the desired rigidity.

Claims

, samsas-v P A T E N T K R A V

1. A flexible arm, in particular a robot arm for supporting and / or manipulating work tools or the like, which arm comprises a number of elements arranged in series and in abutment against each other, which can be actuated by force-generating and / or force-transmitting means arranged to operate. between resp. on the elements or a group of elements, each element (II) being formed with mutually facing curved segment-shaped contact surfaces (5) located for abutment against the contact surface of the adjacent elements, which have a radius which is considerably larger than the height of the segment, k ä characterized in that the segments (8,9) in each element (ll) have single curved contact surfaces (5) arranged in mutually orthogonal planes, and that at least a part of the contact surfaces in each element (ll) are provided with guide means (N) formed to grip and roll against each other during the relative movement of the elements.

Flexible arm according to Claim 1, characterized in that the guide means (4) consist of axial and / or radial booms and grooves.

Flexible arm according to claim 2, characterized in that the contact surface of the segment is designed as part or parts of cylindrical gears. Flexible arm according to Claims 1, 2 or 3, characterized in that the contact surface (5) of the segment (8, 9) is divided into at least one smooth portion (5) and at least one with guide means (H), for example teeth , provided party.