WO1993007997A1 - Roboter mit direktem antriebssystem - Google Patents

Roboter mit direktem antriebssystem Download PDF

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WO1993007997A1
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PCT/CH1992/000217
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Rico Ruffner
Arno Ruffner
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Rico Ruffner
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/106—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with articulated links
    • B25J9/1065—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with articulated links with parallelograms
    • B25J9/107—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with articulated links with parallelograms of the froglegs type

Definitions

  • the invention relates to an industrial robot, the two main drive systems of which are connected to one another in such a way that they together form a movable parallelogram.
  • This parallelogram consists of two joint systems, each consisting of two arms connected by a joint.
  • Such an articulation system is firmly connected to the rotor of the drive motor at one arm end and is combined at the other end with the end of the second articulation system to form an end articulation.
  • An essential inventive feature now consists in the fact that the two joint systems of the parallelogram are absolutely identical and are mirrored in the motor axis and are movably joined in the end joint.
  • the motor arrangement described in which the rotors are screwed directly onto the robot arms, results in the absolutely most direct drive of a robot without any transmission elements and consequently an absolutely backlash-free drive and the best possible positioning of the end effectors.
  • Another positive feature of this motor arrangement is that the robot mass to be moved is not additionally loaded by the motors, which is more common in the joints of the joints when the motors are arranged in the usual way Armenden is the case.
  • the end effectors to be attached to the end joint such as tools, grippers or other types, may have to be able to be moved and positioned in their vertical as well as in the angular position around the end joint axis.
  • One or both functions are performed by a third and fourth motor.
  • a drive system is installed inside the robot, namely in the pillar and inside the arm as well as in the joints.
  • the special inventive feature of these drive systems is that the motors are mounted at the point where they can be firmly connected to the base plate and thus do not move even when the robot is moving.
  • One system drives a bushing in the end joint, to which elements for vertical movement, such as a ball screw or similar elements of the end effectors, are attached and thereby driven.
  • the other system drives another bush in the end joint, which can ensure the orientation and positioning of possible end effectors around the end joint axis.
  • FIG. 1 shows a view of a robot with the drive motors and the two arm joint systems and a possible end effector.
  • FIG. 2 shows a top view of the robot, in particular showing the joint systems.
  • FIG. 3 is a partial elevation of the drive part with the motor arrangement, the base plate and the pedestal, and the internal drive.
  • FIG. 4 shows a section through an arm joint of the arm joint system.
  • FIG. 5 shows a section through the end joint with the driven end effector bushings.
  • FIG. 1 shows the robot in its entirety, in particular the symmetrical arrangement of the two motors 5 and the joint systems 1, 2 becomes clear.
  • the entire system is screwed onto a base by means of base plate 14.
  • An end effector 32 with an upper spindle 33 and a lower straight guide 34 is shown schematically on the outer end joint.
  • FIG. 2 shows the robot system from above, and the directions of movement of the elements are indicated in particular by means of arrows.
  • FIG. 3 shows in the central crack how the arms 1 of the two articulated arm systems are fastened to the rotors of the motors 5 by means of the screws 6 and can thus be set in rotation about the axis A2.
  • the arms 1 are cup-shaped, so that there is space inside for the toothed belt drives, which will be described later.
  • the support column 13 is screwed to the flange 11 at the upper end by screws, which are only indicated by the center line thereof, and this is screwed to the stator of the first motor 5 with screws 9.
  • the lower end of the pedestal 13 is the same as above, but screwed to the flange 12 and this to the base plate 14 and to the stator of the second motor 5.
  • the plate 35 carries the for .
  • the internal drive systems provided motors 19 with the pinions 20.
  • This plate is attached to the flange 12 and to the base plate 14 by means of spacers 36 and corresponding screws.
  • the pinions 20 drive the axis 23 via toothed belt 21 and pinion 24, which is rotatably supported by the bearings 22 in the flange 11 and 12.
  • the pinion 25, which is connected to the axle 23 by means of pins, drives the toothed belt pulley 27, which is toothed on the inside and outside, through an opening in the pillar 13 and which can rotate about the pillar 13 by means of the bearings 26.
  • the poulie 27 drives the toothed belt 28, which is arranged in the interior of the arm 1.
  • a cover 36 is attached, which protects the motor feed lines (not shown) which are guided from below to the upper motor by two protective tubes 15.
  • the arm joint shown in section in FIG. 4 shows on the one hand the arm support of arms 1 and 2 and on the other hand the inner toothed belt drive in the joint.
  • the arm 1 is screwed to the flange bushing 38 by means of screws 37 and these are rotatably connected to the bolt flange 39 by the bearings 3 and 4.
  • the bolt flange 39 is, on the other hand, firmly connected to the arm 2 by the screws 37, so that the arm 2 can rotate freely about the axis AI.
  • the toothed belt 28 rotates a double pool system 30, which is composed of different parts only for assembly reasons, with the help of the bearings 29 around the flange sleeve 38 and thus also about the axis AI.
  • the upper toothing of the pouly 30 drives a further toothed belt 31, which is arranged in the interior of arm 2.
  • the section through the end joint shown in FIG. 5 shows on the one hand the common mounting of the two arms 2 and on the other hand the arrangement of the two drive bushes 18 for the possible end effectors.
  • the two arms 2 are rotatably connected to the common bearing bush 8 by the bearings 7, so that they can rotate freely about the axis A3.
  • the toothed belt 31 drives the sleeve 18 in each case. This is provided with bearings 16 and 17 and a pinion firmly connected to it and can thus rotate freely about axis A3. Corresponding screw holes are provided in the screw circle of screw 40 to accommodate possible end effectors.

Abstract

Ein Roboter, welcher ein Endgelenk aufweist zur Aufnahme von Endeffektoren (33) und welches durch zwei Gelenkarmsysteme (1, 2) bewegt wird, welche einerseits zusammen dieses Endgelenk bilden und an ihren anderen Enden mit den Rotoren zweier Antriebsmotoren (5) verbunden sind. Die Statoren der Motoren sind gegengleich mit einer Standsäule (13) und diese ihrerseits mit einer Grundplatte (14) verbunden. Im Inneren des Gelenkarmsystems sind Antriebe angeordnet für die räumliche Positionierung der Endeffekoren. Zu diesen Systemen gehören entsprechende Motoren (19), welche fest mit der Grundplatte (14) verbunden sind. Dadurch ist der Roboter frei um seine Hauptachse (A2) beweglich, ohne Einschränkung durch Energie- und Steuerleitungen.

Description

ROBOTER MIT DIREKTEM ANTRI EBSSYSTEM
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Industrieroboter, dessen zwei Hauptantriebssysteme derart miteinander verbunden sind, daεs sie zusammen ein bewegliches Parallelogramm bilden. Dieses Parallelogramm besteht aus zwei Gelenksystemen, welche jeweils aus zwei durch ein Gelenk verbundenen Armen bestehen. Ein solches Gelenksystem ist mit dem einen Armende fest mit dem Rotor des .Antriebsmotors verbunden und am anderen Ende mit dem Ende des zweiten Gelenksystems zu einem Endgelenk vereint. Ein wesentliches erfinderisches Merkmal besteht nun darin, dass die beiden Gelenksysteme des Parallelogramms absolut identisch sind und spiegelbildlich in der Motorachse, und im Endgelenk beweglich zusammengefügt sind. Ein weiterer Vorteil, welcher aus der spiegelbildlichen oder symmetrischen Anordnung der beiden Antriebssysteme resultiert, ist darin zu sehen, daεs die beiden Statoren der Antriebsmotoren fest mit den Enden einer Standsäule verschraubt sind, welche ihrerseits mit der Grundplatte des Roboters verbunden ist. Wenn diese Standsäule als Rohr ausgebildet ist, so können Energie- und Steuerleitungen durch diese Säule an den am oberen Ende an seinem Stator festgeschraubten Motor geführt werden. Der am unteren Ende an seinem Stator festgeschraubte Motor kann von unten direkt versorgt werden. Der Roboter kann aus diesem Grund beliebig um seine Hauptachse rotieren, ohne durch Energie- und Steuerleitungen in seiner Drehfähigkeit eingeschränkt zu sein, wie es üblicherweise bei ähnlichen Ausführungen der Fall ist. Die beschriebene Motorenanordnung, bei der die Rotoren direkt an die Roboterarme angeschraubt sind, ergibt den absolut direktesten Antrieb eines Roboters ohne jegliche Transmissionsglieder und demzufolge einen absolut spielfreien Antrieb und bestmögliche Positionierung der Endeffektoren. Ein weiteres positives Merkmal dieser Motorenanordnung ist dadurch gegeben, dass die zu bewegende Robotermasse nicht zusätzlich durch die Motoren belastet ist, was bei üblicher Anordnung der Motoren perifer in den Gelenken der Armenden der Fall ist. Die am Endgelenk anzubringenden Endeffektoren wie Werkzeuge, Greifer oder solche anderer Art, müssen unter umständen in ihrer vertikalen als auch in der Winkelposition um die Endgelenkachse bewegt und positioniert werden können. Eine oder beide Funktionen werden durch je einen dritten und vierten Motor ausgeführt. Damit der Grundsatz der vollen Roboterbeweglichkeit ohne Einschränkung durch Energie- und Steuerkabel zu diesen zusätzlichen Motoren erhalten bleibt, ist ein im Roboterinneren und zwar in der Standsäule und im Arminneren sowie in den Gelenken angeordnetes Antriebssystem angebracht. Das besondere erfinderische Merkmal dieser Antriebssysteme besteht darin, dass die Motoren an der Stelle angebracht sind, wo sie fest mit der Grundplatte verbunden werden können und somit sich selbst bei Bewegung des Roboters nicht bewegen. Das eine System treibt eine Büchse im Endgelenk an, an die Elemente für eine Vertikalbewegung wie z.B. eine Kugelumlaufspindel oder ähnliche Elemente der Endeffektoren angebracht und dadurch angetrieben werden. Das andere System treibt eine andere Büchse im Endgelenk an, welche die Orientierung und Positionierung möglicher Endeffektoren um die Endgelenkachse gewährleisten kann.
Die Erfindung wird nun anhand eines ausgeführten Beispiels beschrieben, wobei Bezug auf die Zeichnungen genommen wird.
Es zeigt:
FIG. 1 eine Ansicht eines Roboters mit den Antriebsmotoren und den beiden Armgelenksystemen und einem möglichen Endeffektor.
FIG. 2 eine Draufsicht des Roboters, insbesonders die Gelenksysteme zeigend.
FIG. 3 einen teilweisen Aufriss des Antriebsteils mit der Motorenanordnung, die Grundplatte und die Standsäule, sowie den inneren Antrieb.
FIG. 4 einen Schnitt durch ein Armgelenk des Armgelenksystems. FIG. 5 einen Schnitt durch das Endgelenk mit den angetriebenenEndeffektoren-Büchsen.
Die Figur 1 stellt den Roboter in seiner Ganzheit dar, insbesondere wird die symmetrische Anordnung der beiden Motoren 5 und der Gelenksysteme 1, 2 deutlich. Das ganze System wird mittels Grundplatte 14 auf eine Unterlage geschraubt. Am äusseren Endgelenk ist schematisch ein Endeffektor 32 mit oberer Spindel 33 und unterer Geradführung 34 eingezeichnet.
Die Figur 2 zeigt das Robotersystem von oben, und insbesonders sind mittels Pfeilen die Bewegungsrichtungen der Elemente angedeutet.
Die Figur 3 zeigt im mittleren Riss, wie die Arme 1 der beiden Gelenkarmsysteme mittels der Schrauben 6 an die Rotoren der Motoren 5 befestigt sind und dadurch um die Achse A2 in Drehung versetzt werden können. Die Arme 1 sind schalenartig ausgebildet, sodass im Inneren Raum für die Zahnriemenantriebe, welche später beschrieben werden, vorhanden ist. Die Standsäule 13 ist am oberen Ende durch Schrauben, die nur durch deren Mittellinie angedeutet sind, mit dem Flansch 11 verschraubt und dieser mit Schrauben 9 an den Stator des ersten Motors 5 verschraubt. Das untere Ende der Standsäule 13 ist gleich wie oben, jedoch an den Flansch 12 und dieser an die Grundplatte 14 und an den Stator des zweiten Motors 5 verschraubt. Die Platte 35 trägt die für. die inneren Antriebssysteme vorgesehenen Motoren 19 mit den Ritzeln 20. Diese Platte ist mittels Abstandhaltern 36 und entsprechenden Schrauben an den Flansch 12 und an die Grundplatte 14 angebracht. Die Ritzel 20 treiben über Zahnriemen 21 und Ritzel 24 die Achse 23 an, welche durch die Lager 22 in den Flansch 11 und 12 drehbar gelagert ist. Das Ritzel 25, welches mittels Stiften mit der Achse 23 verbunden ist, treibt durch eine Oeffnung in der Standsäule 13 das innen und aussen verzahnte Zahnriemenpoulie 27, welches mittels der Lager 26 um die Standsäule 13 drehen kann. Das Poulie 27 ist Antrieb für den Zahnriemen 28, welcher im Inneren des Armes 1 angeordnet ist. Am oberen Ende des Aufbaues ist ein Deckel 36 angebracht, welcher die Motorenzuleitungen (nicht eingezeichnet) schützt, die durch zwei Schutzrohre 15 von unten an den oberen Motor geführt werden.
Das in Figur 4 im Schnitt dargestellte Armgelenk zeigt einerseits die Armlagerung der Arme 1 und 2 und andererseits den inneren Zahnriementrieb im Gelenk. Der Arm 1 ist mittels Schrauben 37 an Flanschbuchse 38 geschraubt und diese durch die Lager 3 und 4 mit dem Bolzenflansch 39 drehbar verbunden. Der Bolzenflansch 39 ist andererseits durch die Schrauben 37 fest mit dem Arm 2 verbunden, so dass sich dieser um die Achse AI frei drehen kann. Der Zahnriemen 28 dreht ein doppeltes Pouliesystem 30, das lediglich aus Montagegründen aus verschiedenen Teilen zusammengesetzt ist, mit Hilfe der Lager 29 um die Flanschbüchse 38 und somit auch um die Achse AI. Die obere Verzahnung des Poulies 30 treibt einen weiteren Zahnriemen 31 an, welcher im Inneren von Arm 2 angeordnet ist.
Der in Figur 5 dargestellte Schnitt durch das Endgelenk zeigt einerseits die gemeinsame Lagerung der beiden Arme 2 und andererseits die Anordnung der beiden Antriebsbüchsen 18 für die möglichen Endeffektoren. Die beiden Arme 2 sind durch die Lager 7 mit der gemeinsamen Lagerbüchse 8 drehbar verbunden, so dass sie frei um die Achse A3 drehen können. Der Zahnriemen 31 treibt jeweils die Büchse 18 an. Diese ist mit Lager 16 und 17 sowie einem fest mit ihr verbundenen Zahnritzel versehen und kann somit frei um Achse A3 rotieren. Für die Aufnahme von möglichen Endeffektoren sind entsprechende Schraubenlöcher im Schraubenkreis von Schraube 40 vorgesehen.

Claims

PATENTANSPRUECHE
1. Roboter enthaltend zweim Gelenke (FIG. 4) mit je zwei Armen, (1, 2) welche mittels Lagern (3, 4) um eine zu diesen Armen senkrechte Achse (AI) besagter Gelenke drehbar sind und dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der erste dieser Arme (1) an seinem anderen Ende mit dem Rotor (5) eines Antriebsmotors mittels Schrauben (6) fest verbunden ist und durch besagten Rotor um di-e Motorachse (FIG. 3; A2) gedreht werden kann, sowie jeweils der zweite Arm (2) an seinem anderen Ende mittels einem Lager (FIG. 5; 7) und einer gemeinsamen Lagerbüchse (8) um die zu besagtem Arm senkrechte Achse (A3) drehbar mit dem anderen zweiten Arm (2) angelenkt ist.
2. Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Arme (1, 2) sowie Gelenke (FIG. 4) jeweils symmetrisch in bezug zu einer Symmetrieebene (A-A), welche senkrecht zu den Gelenkachsen steht, angeordnet sind.
3. Roboter nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoren besagter Motoren mittels Schrauben (FIG. 3; 9, 10) und Flanschen (11, 12) an eine gemeinsame Hohlsäule (13) geschraubt sind und diese Hohlsäule fest mit einer Grundplatte (14) verbunden ist.
4. Roboter nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Motoren dadurch versorgt werden, dass die Energie- und die Steuerleitungen jeweils in einem Schutzrohr (15) durch die Hohlsäule (13) von unten für den oberen und für den unteren Motor durch jeweil s eine Bohrung im Flansch (12) geleitet werden.
5. Roboter nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder zwei Antriebssysteme derart angeordnet sind, dass sich deren Elemente im Inneren der Hohlsäule (13) sowie der vier Arme (1, 2) befinden und deren Zweck es ist, im Endgelenk (FIG. 5) jeweils eine mit Lagern (16, 17) versehene Büchse (18) anzutreiben durch den oder die ausserhalb und unterhalb der Grundplatte (14) angeordneten Motor (en) (19).
6. Roboter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Antriebssysteme jeweils einen Antriebsmotor (19) enthalten mit einem Zahnritzel (20), einem Zahnriemen (21), einer mittels Lagern (22) im Inneren der Hohlsäule (13) gelagerten Achse (23), welche an einem Ende mit einem Zahnritzel (24) fest verbunden ist und somit durch den Zahnriemen (21) angetrieben werden kann und einem weiteren Zahnritzel (25), welches mittels Stift mit besagter Achse fest verbunden ist und durch eine Oeffnung in der Säule (13) in die Innenverzahnung eines mittels Lagern (26) auf der Säule (13) drehbar gelagerten Zahnriemenpoulies (27) eingreift und mittels Zahnriemen (28) im Inneren des Armes (1) ein im' Gelenk (FIG. 4) mittels Lagern (29) drehbar gelagertes mit doppeltem Zahnkranz versehenes Zahnriemenpoulie (30) antreibt und über einen weiteren Zahnriemen (31) und die im Endgelenk (FIG. 5) mittels Lager (16, 17) drehbar gelagerte Büchse (18), welche mit einem Zahnritzel versehen ist, vom Motor (19) in Drehbewegung versetzt werden kann.
7. Roboter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Antriebssysteme zur räumlichen Positionierung von am Endgelenk (FIG. 5) anzubringenden Werkzeugen, Greifersystemen oder Endeffektoren dienen, indem mit der Büchse (18) verbundene Kugelumlaufsysteπie oder äquivalente Systeme längs der Gelenkachse (A3) bewegt und positioniert werden, sowie durch die zweite Büchse (18) deren Winkellage um die Gelenkachse (A3) bestimmt werden kann. GEÅNDERTE ANSPRÜCHE
[beim Internationalen Büro
am 25. März 1993 (25.03.93) eingegangen;
ursprünglicher Anspruch 1 geändert; ursprüngliche Ansprüche 2-7 durch geänderte Ansprüche 2-5 ersetzt (2 Seiten)]
Patentansprüche
1. Roboter mit mindestens einen Antriebsmotor (5), der einen Stator und einen Rotor aufweist, einer Hohlsäule (13) als Support für den Antriebsrnotor (5) und einem Arm (1), der mit dem Rotor eines Antriebsmotors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebssystem vorgesehen ist, welches sich durch den Arm (1) erstreckt, und dass das
Antriebssystem von einen hotor, welcher ausserhalb der
Hohlsäule (13) angeordnet ist, angetrieben werden kann, um eine der Aufnahme eines Endeffektors dienende Luchse (13) anzutreiben.
2. Roboter nach Ansipuch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Antriebsmotoren (5), welche je einer. Stator unu einen I.otor aufweisen, eine nohlsäule (13) als Support für die
Antriebsπotoren (5) und je zwei Armpaare (1,2; aufweisen, weiche gelenkig miteinander verbunden sind, dadurch gelteanzeichnet, dass zwei Antriebssysteme vorgesehen sir.u, welche sich durch die Armpaare (1,2) erstrecken, und dass die Antriebssysteae von je einem motor, welche ausserhalL der nohlsäule (13) angeordnet sind, angetrieben werden können, um eine der Aufnahme eines Endeffektors dienende Luchse (18) anzutreiben.
3. Roboter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Antriebe mittels ausserhalb der Hohlsäule (13) angeordneter Motoren und innerhalb der hohlsäule (13) sich befindender Uebertragungselemente, welche aus jeweils einer Ritzelwelle (23) und einem Ritzel (25), sowie einem aus der Hohlwelle (13) ausgesparten Fenster durch welches dasRitzel (25) ein innenverzahntes Zahnrad (27) antreilt, und weiter mittels Uebertragungselemente (2o), welche sich durch die Armpaare (1,2) ersxrecken, die genannte Luchse (18) antreiben. Patentansprüche
4. Roboter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Antriebssysteme in mehrfacher Ausführung vorhander: sein können.
5. Roboter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere besagter Antriebssysteme derart angeordnet werden, dass der Antrieb eines oder mehrerer Arιne(s) (l) oder Armpaare (1,2) des Roboters ermöglicht ist, indes, das Zahnrad (27) direkt mit den Armen verbunden wird.
PCT/CH1992/000217 1991-10-24 1992-10-23 Roboter mit direktem antriebssystem WO1993007997A1 (de)

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CH3104/91-8 1991-10-24
CH310491A CH684686A5 (de) 1991-10-24 1991-10-24 Roboter mit direktem Antriebssystem.

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WO1993007997A1 true WO1993007997A1 (de) 1993-04-29

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AU (1) AU2765892A (de)
CH (1) CH684686A5 (de)
WO (1) WO1993007997A1 (de)

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CH684686A5 (de) 1994-11-30

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