WO1999002313A1

WO1999002313A1 - Scherenangetriebener roboterarm und portalroboter

Info

Publication number: WO1999002313A1
Application number: PCT/CH1998/000289
Authority: WO
Inventors: Marco Kaufmann; Hansueli Thut
Original assignee: Asea Brown Boveri Ag
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 1999-01-21
Also published as: ZA986067B; TW385268B; AU7904198A; DE19729657A1

Abstract

Ein Roboterarm, der insbesondere für einen Portalroboter geeignet ist, zeichnet sich durch einen Scherenantrieb aus. Eine Anschlussplatte wird über einen Scherenmechanismus angetrieben. Die Befestigung des Scherenmechanismus ist so gewählt, dass ein streng proportionaler Zusammenhang zwischen den Winkelgrössen des antreibenden Motors und den kinematischen Parametern der Tool Center Points (TCP) erreicht wird.

Description

B E S C H R E I B U N G

SCHEREN ANGETRIEBENER ROBOTERARM UND PORTALROBOTER

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Robotertechnik. Sie geht aus von einem Roboterarm nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Die Erfindung betrifft ausserdem einen Portalroboter, bei dem der Roboterarm eingesetzt wird.

Stand der Technik

Ein solcher Roboterarm ist bereits aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 701 884 AI bekannt. Ein gattungsgemässer Portalroboter wird in der Deutschen

Offenlegungsschrif t DE 41 27446 AI beschrieben. Auch dort ist ein Roboterarm, der in vertikaler Richtung bewegbar ist, dargestellt. Die dafür ausgebildete Hubsäule muss jedoch als Ganzes bewegt werden, so dass die Hubsäule bei vollständigem Einfahren des Roboterarmes über den Portalrahmen ragt. Demzufolge benötigt diese Anordnung vergleichsweise viel Platz. Aus der EP 0 701 884 AI ist ein Industrieroboter bekannt, bei dem in einer Richtung eine Scherenhebeeinrichtung verwendet wird. Dabei ist ein Schenkel der Schere mit einer Antriebseinrichtung verbunden, die diesen Schenkel verschiebt, um eine Hebebewegung zu erhalten. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Schwerpunkt des Arbeitsbeitsarmes nicht nur eine Hebebewegung, sondern auch eine Schiebebewegung erfährt.

Die EP 0 317788 A2 offenbart einen Förderer, der durch Teleskopantriebe in Form von Scherengittern teleskopierbar ist. Nachteilig an diesem Teleskopantrieb ist für die gesuchte Lösung jedoch die Tatsache, dass der Teleskopantrieb schwenkbar und als selbsttragender Roboterarm nicht geeignet ist.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es nämlich, einen platzsparenden, stabilen und selbsttragenden Roboterarm anzugeben, bei dem ein linearer Zusammenhang zwischen Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit und Drehbeschleunigung eines Antriebes und den kinematischen Parametern des sog. TCP (Tool Center Point) herrscht. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, dass in dem Anschlussstück Mittel zur Gleitlagerung der Endstäbe des Scherenmechanismus vorgesehen sind und dass zwei mit den Endstäben gelenkig verbundene Halbstäbe vorgesehen sind, die zu einem

Kraftangriffspunkt des Anschlussstückes zusammengeführt sind, in welchem die Halbstäbe gelenkig gelagert sind.

Mit Vorteil wird auch die Ankopplung des Scherenmechanismus an eine Antriebsplatte entsprechend ausgeführt. Die Mittel zur Gleitlagerung umfassen vorzugsweise ein lineares Gleitlager auf Führungswellen. Eine Lagerung mittels Rollen wäre auch möglich. Ausserdem kann durch die Wahl der Längen der Scherenstäbe ein Übersetzungsfaktor des Scherenmechanismus bzw. dessen Querschnitt eingestellt werden. Zudem wird ein Portalroboter angegeben, bei dem zumindest der Roboterarm ggf. auch die übrigen Antriebe mit einem Scherenantrieb ausgerüstet sind.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den entsprechenden abhängigen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen erfindungsgemässen Roboterarm;

Fig. 2 Einen Ausschnitt aus dem Scherenmechanismus eines erfindungsgemässen Roboterarmes;

Fig. 3 Einen Portalroboter, der mit einem erfindungsgemässen Roboterarm bestückt ist.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wege zur Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemässen Roboterarm 1. Mit 3 ist ein Motor bezeichnet, der auf einer Antriebsplatte 11 befestigt ist und eine Spindel 9 antreibt. Die Spindel 9 schraubt sich durch eine Spindelmutter 10, die an einem Kreuzungspunkt von zwei Scherenstäben 5 eines Scherenmechanismus 4 angeordnet ist. Am anderen Ende des Scherenmechanismus 4 ist eine Anschlussplatte 2 vorgesehen, an welche ein Greifer, ein Laufwagen oder ähnliche Manipulatoren befestigt werden können. Die Verbindung des Scherenmechanismus 4 mit der Anschlussplatte 2 erfolgt an drei Punkten, um einerseits eine stabile, nicht schwenkbare Befestigung der Anschlussplatte 2 zu erreichen und um andererseits eine seitliche Verschiebung der Anschlussplatte 2 bei der Betätigung des Scherenmechanismus 4 zu vermeiden. Dadurch erhält man eine direkt proportionale Beziehung zwischen der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Tool Center Points (TCP) und den entsprechenden Winkeldaten des Motors. Auf diese Weise können die Präzision des Roboterarms erhöht und die Positionsregelung stark vereinfacht werden.

Die dreifache Lagerung umfasst erstens ein Gleitelement 15 auf einer Rundwelle 14 der der Anschlussplatte zugewandten End-Scherenstäbe 6. Mit Vorteil werden die End-Scherenstäbe 6 zu diesem Zweck auf geeigneten Rollen 15 gelagert. Zweitens sind Halbstäbe 7 vorgesehen, die mit den End-Scherenstäben 6 gelenkig verbunden sind und die in einem gemeinsamen Kraftangriffspunkt 8, vorzugsweise im Zentrum der Anschlussplatte 2, zusammengeführt sind.

Im Bereich der Antriebsplatte 11, d.h. für die Übertragung der Bewegung des Motors 3 bzw. der Spindel 9 auf den Scherenmechanismus 4, kann eine vergleichbare Lösung getroffen werden. Die Anfangs-Scherenstäbe 12 sind zu diesem Zwecke ebenfalls auf Fehrungswellen 14 mit Gleitelementen 15 gelagert. Ausserdem sind Halbstäbe 7 vorgesehen, die mit den Anfangsstäben 12 gelenkig verbunden sind und zu einem gemeinsamen Lagerpunkt 13 im Bereich der Antriebsplatte 11 zusammengeführt sind. Auf diese Weise wird dem Scherenmechanismus eine seitliche Stabilität verliehen, die für einen präzisen und selbsttragenden Antrieb der Anschlussplatte, bzw. eines damit verbundenen Manipulators benötigt wird.

Eine weitere Versteifung des Scherenmechanismus 4 kann dadurch erreicht werden, dass, wie in Figur 2 von der Seite dargestellt wird, zwei parallele Teilmechanismen vorgesehen sind, die über Querstäbe 18 miteinander verbunden sind.

Aus Figur 1 ist ausserdem ersichtlich, dass die Scherenstäbe 5 in der Nähe der Anschlussplatte 2 eine geringere Länge aufweisen als zur Antriebsplatte hin. Dies ist speziell dann von Vorteil, wenn der Roboterarm 1 bzw. der an der Anschlussplatte 2 befestigte Manipulator durch ein Engnis (z.B. Einfüllen von Schachteln, Abfüllen von Gefässen etc.) geführt werden muss. Durch die Wahl der Längen der Scherenstäbe 5 kann nicht nur der Durchmesser des Scherenmechanismus 4 der Umgebung angepasst werden. Auch der durch den Pantographeffekt erreichte Übersetzungsfaktor der Bewegung kann wunschgemäss eingestellt werden.

Die Scherenstäbe 5 werden mit Vorteil aus einem Leichtmetall wie z.B. Aluminium oder sogar aus faserverstärkten Kunststoffen aufgebaut. Mit einem Prototyp konnten auf diese Weise problemlos 25 kg mit 2 g Beschleunigung angehoben und äusserst präzise positioniert werden.

Besonders geeignet ist der erfindungsgemässe Roboterarm für einen Portalroboter. In Figur 3 ist ein beispielhafter Portalroboter mit drei orthogonalen Achsen x, y, z dargestellt. Mit 16 ist ein Traggestell bezeichnet. Ein Ausleger 17 ist in y-Richtung fahrbar. Am Ausleger 17 sind Roboterarme 1 befestigten, die entlang der x-Achse ebenfalls verschiebbar gelagert sind. Die Antriebe in den drei Raumachsen x, y, z können nun nach der Erfindung teilweise oder insgesamt als Scherenantriebe ausgelegt sein. Der Vorteil der Scherenantriebe ist nicht nur der geringe Platzbedarf, sondern auch ein rasches Ansprechverhalten und ein linearer Zusammenhang zwischen den Antriebsdaten und den Positionsdaten. Ausserdem können handelsübliche Antriebsmotoren eingesetzt werden. Ein Übersetzungsverhältnis kann nicht nur durch Wahl der Spindelsteilheit, sondern auch durch eine Beeinflussung der Stablängen nahezu beliebig eingestellt werden. Der erfindungsgemässe Roboterarm kann aber nicht nur im Rahmen von Portalrobotern eingesetzt werden sondern auch überall sonst, wo lineare Antriebe gefordert sind. Der Roboterarm ist nur einseitig gelagert und kann in beiliebigen Richtungen auch schräg im Raum linear verfahren.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein linear angetriebener Roboterarm, der äusserst platzsparend ist und ausserdem stabil und selbsttragend aufgebaut sein kann. Zudem ist nur ein geringer Antriebshub für einen grossen Bewegungshub notwendig. Es können grosse Kräfte mit günstigen Motordrehzahlen erreicht werden, und wartungsintensive Getriebe sind nicht notwendig. Im Gegensatz zu konventionellen Zahnriemenantrieben fällt das durch die Elastizität des Zahnriemens bedingte Spiel vollständig weg. Gegenüber einem konventionellen Ritzel-Zahnstangenantrieb zeichnet sich die Erfindung durch einen wesentlich geringeren Herstellungspreis aus. Die Traglast ist nahezu unbegrenzt.

Bezugszeichenliste

Roboterarm

Anschlussstück

Motor

Scherenmechanismus

Scherenstab

End-Scherenstab

Halbstab

Kraftangriffspunkt

Spindel

Spindelmutter

Antriebsplatte

Anfangs-Scherenstäbe

Lagerpunkt

Führungswelle

Gleit- oder Rollenelement

Traggestell

Ausleger

Querstab

Claims

P A T E N T A N S P R U E C H E

1. Roboterarm (1), insbesondere für einen Portalroboter, umfassend - ein Anschlussstück (2) zur Aufnahme insbesondere eines Greifers oder eines Laufwagens,

- einen Antrieb mit einem Motor (3) und einem Scherenmechanismus (4) mit mindestens zwei gekreuzten Scherenstäben (5) zur zielgerichteten Bewegung des Anschlussstückes (2), dadurch gekennzeichnet, dass

- in dem Anschlussstück (2) erste Mittel (14, 15) vorgesehen sind zur Gleitlagerung von zwei dem Anschlussstück (2) zugewandten End- Scherenstäben (6),

- zwei Halbstäbe (7) vorgesehen sind, die mit den End-Scherenstäben (6) gelenkig verbunden sind und zu einem Kraftangriffspunkt (8) des

Anschlussstückes (2) zusammengeführt sind, in welchem sie drehbar gelagert sind.

2. Roboterarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (3) eine Spindel (9) antreibt, die in eine Spindelmutter (10) ein- und ausschraubbar ist, welche Spindelmutter (10) in einem Kreuzpunkt von zwei Scherenstäben (5) des Scherenmechanismus (4) angeordnet ist.

3. Roboterarm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (3) auf einer Antriebsplatte (11) befestigt ist, in welcher Antriebsplatte (11) zweite Mittel vorgesehen sind zur Gleitlagerung von zwei der Antriebsplatte (11) zugewandten Anfangs-Scherenstäben (12).

4. Roboterarm nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Halbstäbe (7) vorgesehen sind, die mit den Anfangs-Scherenstäben (12) gelenkig verbunden sind und zu einem gemeinsamen Lagerungspunkt (13) der Antriebsplatte (11) zusammengeführt sind, in welchem Lagerungspunkt die beiden Halbstäbe drehbar gelagert sind.

5. Roboterarm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Mittel eine lineare Führungswelle 15 umfassen, in der die Anfangs-Scherenstäbe bzw. die End-Scherenstäbe verschiebbar gelagert sind und insbesondere auf Gleitlager 14 oder Rollen laufen.

6. Roboter arm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scherenmechanismus zwei Teilmechanismen umfasst, die parallel angeordnet sind und mit Querstäben verbunden sind.

7. Roboterarm nach einem der vorstehend Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scherenmechanismus mindestens zwei Arten von Scherenstäben umfasst, die sich in der Länge unterscheiden.

8. Roboterarm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge der Scherenstäbe in der Nähe der Anschlussplatte geringer ist als eine

Länge der Scherenstäbe in der Nähe der Antriebsplatte.

9. Portalrobotern mit einem Traggestell, an welchem mindestens ein Roboterarm, über bis zu zwei Achsen verschiebbar oder fest gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboterarm nach einem der Ansprüche

1 bis 6 ausgeführt ist.

10. Portalroboter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zum Verschieben des Roboterarmes entlang des Auslegers und/ oder der Antrieb zum Verschieben des Auslegers entlang des Traggestells nach der Art eines Scherenantriebes ausgebildet ist.