WO2004020160A1 - Gewichtsausgleichssystem für geräte mit drehachsen - Google Patents

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WO2004020160A1
WO2004020160A1 PCT/DE2003/002812 DE0302812W WO2004020160A1 WO 2004020160 A1 WO2004020160 A1 WO 2004020160A1 DE 0302812 W DE0302812 W DE 0302812W WO 2004020160 A1 WO2004020160 A1 WO 2004020160A1
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compensation system
weight
weight compensation
robot
energy storage
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Hubertus Boehm
Josef Schlattmann
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Hubertus Boehm
Josef Schlattmann
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    • 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
    • B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0008—Balancing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0008—Balancing devices
    • B25J19/0016—Balancing devices using springs

Definitions

  • the invention relates to a weight compensation system for a device, a machine or a device, preferably an articulated arm robot, with at least one base element and at least one moving element, which is rotatably mounted on the base element via a swivel joint and the center of gravity of which is at a height during a pivoting movement Changes in relation to the earth's gravitational field.
  • Such devices can be, for example, a robot or a handling device.
  • a robot has to move the robot arm, which is made up of several movable elements, as well as a payload according to a specified function, and hold it in a desired position.
  • the drive motors have to deliver a torque, which essentially consists of the following components:
  • the weight moment of a moving robot element follows a sine function.
  • the weight moment acting on the axis of rotation is zero, it increases sinusoidally as the robot element is lowered to the maximum in the horizontal position and then falls back to zero in the vertically downward position.
  • a weight balance system is a passive, i.e. no external energy consuming system through which. the torque caused by the weight is at least partially compensated.
  • Robots with a weight balance are known in which the weight moment of the robot arm and the payload are at least partially balanced by a counterweight. With such a weight balance, the drive motors do not have to overcome any or not the full weight moments and can therefore use a large proportion of their power to accelerate and decelerate the associated robot elements.
  • a counterweight increases the overall moment of inertia of the robot element, which has a negative effect on the dynamics of the robot element.
  • the individual robot elements have to be made stiffer and therefore heavier in order to ensure good positioning accuracy of the robot arm.
  • the arrangement of the counterweights often limits the angle of rotation of the individual axes, so that the working space that can be reached by the hand of the robot is restricted.
  • a robot with a weight compensation system is known from EP 0 819 041, in which the moving robot element is articulated by a hydropneumatic system, for example a gas spring.
  • a hydropneumatic system for example a gas spring.
  • One end of the hydropneumatic system is attached to the base of the robot, while the other end is attached to the upper arm of the robot. Balancing weight with such a system has the following disadvantages:
  • the pivoting angle range of the robot element is restricted by the articulation of the weight balancing system on the moving robot element.
  • the acting compensating forces change due to temperature influences and are dependent on the speed of the moving robot element.
  • a weight compensation system for a robot in which the moving robot element is articulated by a suspension system.
  • one spring end section is attached to the base body of the robot, while the other spring end section is attached to the moving robot element.
  • This weight balancing system also has a number of disadvantages:
  • the pivoting angle range of the robot element is restricted by the articulation of the weight balancing system on the moving robot element.
  • robots with such a weight compensation system generally have there is a weight balance only for the upper arm.
  • a weight compensation system is known from EP 0 165 129, in which a spring mechanism is articulated via a cross loop and an articulated gear.
  • a disadvantage of the solution disclosed in the cited patent is the considerable space required for the weight compensation system. Furthermore, with the system described, compensation of the weight moment is not possible for the entire rotation angle range of the axis (360 degrees). The latter two types of weight balancing systems are also not implemented in the robots currently on the market.
  • the invention is based on the object
  • the weight moment of the moving robot element for the entire rotational range of the axis should be compensated for as precisely as possible in any position without significantly increasing the moment of inertia of the moving element.
  • the weight compensation system for a moving element e.g. the upper arm of a robot, as well as for several moving elements, e.g. the upper arm and forearm of a robot.
  • the invention provides for the weight compensation system to be constructed from an energy storage device in combination with a cross-loop element and a gear element.
  • the movable element of the robot is mechanically coupled to the passive, ie no external energy-consuming energy storage device, this coupling is realized by the gear element and the cross-loop element.
  • the energy storage device is deflected in accordance with a function defined by the gear element and the cross-loop element.
  • the energy store is, for example, one or more compression springs, tension springs, gas springs or a hydropneumatic or magnetic system.
  • the gear element is preferably a pair of gears with two eccentrically running spur gears or non-circular gears.
  • the first gear is connected to the axis of the movable robot element, while the second gear is connected to the crank of the cross-loop element.
  • the special design of the gearbox element and the cross-loop element ensures that the force characteristic of the energy storage device is converted into an approximately sinusoidal torque curve on the axis of rotation of the movable robot element.
  • This approximately sinusoidal torque curve corresponds approximately to the torque curve of the weight of the moving robot element, but acts in the opposite direction. An almost exact compensation of the moment of weight of the movable robot element is thus achieved.
  • the gear element and the cross-loop element can be designed such that the weight compensation system effects the best possible compensation of the weight moment.
  • Energy storage devices that are constructed from suspension systems generally have a linear force characteristic, ie the force increases proportionally with an increasing deflection of the energy store.
  • an exact selection can be made by selecting the eccentricity of the gear pair or by designing the pitch curves of the non-circular gears Compensation of the moment of weight of the moving robot element can be achieved.
  • energy storage devices with a constant force characteristic.
  • These can consist of a hydraulic, pneumatic or magnetic system, for example.
  • the force supplied by the energy storage device is at least approximately independent of the deflection of the energy store.
  • the gear element be completely dispensed with, i.e. one constructed from a cross-loop element and such an energy storage device
  • Weight compensation system effects an exact compensation of the weight moment of the moving robot element.
  • a particular advantage of the invention is that the weight compensation system compensates for the weight moment for the entire rotational range of the axis (360 degrees). Furthermore, the range of action or the possibilities of movement of the moving element is not impaired by the weight compensation system.
  • weight balancing system both for one movable element, for example the upper arm of a robot, and for several coupled movable elements, for example the upper arm and forearm of a robot.
  • the weight balancing system can be automatically adapted to changing payloads or can also be used to support the drive device during the acceleration and deceleration phase of the robot element.
  • the weight compensation system can also be used in many other applications for driven and manually moved systems.
  • the drive devices are relieved by using the weight balancing system. This results in higher travel speeds and therefore shorter cycle times. In addition, the energy consumption of the drive devices can be reduced.
  • the force required to move the load is reduced by using the weight compensation system.
  • Fig. 1 is a perspective view of a
  • Weight compensation system Fig. 2a to 2b is a schematic representation of a
  • FIG. 4 shows an embodiment of a robot with two movable elements in a perspective view.
  • FIG. 5 shows an energy storage device
  • FIG. 1 shows a perspective view of a vertical articulated arm robot with a movable element and an embodiment of the weight compensation system according to the invention.
  • the robot 1 is constructed from the base element 3 and the first robot element (upper arm) 4.
  • the upper arm 4 is rotatably supported in the base element 3 by the first axis of rotation 8.
  • the upper arm 4 is coupled to the first weight compensation system 6 and to the drive device 9 which is only partially shown here.
  • FIG. 2a and 2b show a schematic representation of the robot 1 shown in FIG. 1 with a movable element and an embodiment of the weight compensation system 6 according to the invention in two different positions.
  • the first robot element (upper arm) 4 is rotatably mounted in the first axis of rotation 8, it is driven by a drive device, not shown here.
  • the movement of the upper arm 4 is transmitted to the crank of the cross loop 15 by a pair of gears.
  • the gear pair here is, for example, the two eccentrically running spur gears 10 and 12.
  • the first gear 10 is fixedly connected to the upper arm 4, it does not rotate about its central axis 11, but together with the upper arm about the first axis of rotation 8.
  • the second gear 12, which is in engagement with the gear 10, does not rotate its center axis 13, but about the offset axis of rotation 14.
  • the rotation of the gear 12 is transmitted to the slide of the cross loop 17 via the crank of the cross loop 15 connected to the gear wheel and the coupling joint of the cross loop 16.
  • the slide 17 is slidably mounted in the guide 18.
  • a linear upward and downward movement of the slide causes a deflection of the energy storage device 19, which is constructed here, for example, from three compression springs.
  • the mode of operation of the weight compensation system 6 is illustrated by the following illustrative explanation, in that the upper arm 4 is viewed in four different positions:
  • Cross loop 15 already moved by an angle of more than 45 degrees.
  • Cross loop 15 in turn rotated by an angle of more than 135 degrees.
  • Upper arm 4 (angular position 180 degrees) also shows the crank of the cross loop 15 vertically downwards.
  • the movement of the upper arm 4 is not uniformly transmitted to the cross-loop element by the eccentrically running gear pair 10 and 12. While the first gear 10 moves from the vertically upward position (angular position 0 degrees) to the horizontal position (angular position 90 degrees), the second gear 12 leads the angle of rotation of gear 10 to an increasing extent. This lead is removed again while the first gear 10 moves from the angular position 90 degrees to the vertically downward hanging position (angular position 180 degrees).
  • the power arm 30 is larger in the angular position of 45 degrees (FIG. 2a) and the force 31 is smaller than in the angular position of 135 degrees (FIG. 2b).
  • the weight compensation system 6 must now be designed so that the product of the force 31 and the force arm 30 for each angular position of the upper arm 4 corresponds as exactly as possible to the product of the weight of the upper arm 4 and the load arm 29.
  • the weight of the upper arm 4 is compensated for by the weight compensation system 6.
  • the robot 1 is constructed from the base element 3 and the first robot element (upper arm) 4.
  • the upper arm 4 is rotatably supported in the base element 3 by the first axis of rotation 8.
  • the upper arm 4 is coupled to the first weight compensation system 6 and to a drive device (not shown here).
  • Weight balancing system 6 corresponds to the system described with reference to FIGS. 2a and 2b.
  • the robot 4 shows an embodiment of a vertical articulated arm robot with two movable elements and the associated weight compensation systems according to the invention.
  • the robot 2 is constructed from a base element 3, a first robot element (upper arm) 4 and a second robot element (lower arm) 5.
  • the upper arm 4 is rotatably supported in the base element 3 by the first axis of rotation 8 and is driven by the first drive device 9.
  • the upper arm 4 is in direct connection with the first weight balancing system 6, the function and mode of operation of this weight balancing system corresponds to the system described with reference to FIGS. 2a and 2b.
  • the forearm 5 is rotatably supported in the upper arm 4 by the second axis of rotation 26. He becomes second
  • This drive device 27 and the second weight compensation system 7 are attached to the base element 3 of the robot.
  • the forearm 5 is therefore coupled to the weight compensation system 7 and the drive device 27 via the transmission mechanism 28.
  • the transmission mechanism can be, for example, a belt or a chain. '
  • the function and mode of operation of the second weight balancing system 7 in turn corresponds to the system described with reference to FIGS. 2a and 2b.
  • FIG. 5 shows an energy storage device with an adjusting device for adapting the force characteristic of the energy storage device to different operating conditions.
  • the energy storage device 19 is constructed, for example, from three spring elements 20, 21 and 22 connected in parallel, which are designed here as compression springs.
  • the spring elements 20, 21 and 22 are adjustable by adjusting devices 23, 24 and 25 between an active and an inactive operating position.
  • the adjusting devices 23, 24 and 25 can be designed, for example, as pneumatic cylinders. 5, the spring elements 20 and 22 are in the active operating position, while the spring element 21 is in the inactive operating position.
  • the spring elements 20 and 22 are non-positively coupled to the slide of the cross loop 17, whereas the spring element 21 is compressed by the adjusting device 24 to such an extent that it does not touch the slide of the cross loop 17.
  • Such a structure ensures that the energy storage device 19 can be operated with different force characteristics.
  • the task of the robot arm is to transport a payload from a first position to a second position and then move the robot arm back without it Payload in the first position.
  • weight compensation of the robot arm is achieved without a payload, while when all three spring elements 20, 21 and 22 are connected in parallel, weight compensation takes place for the robot arm with the payload.
  • the spring element 22 is switched between the inactive and the active position.
  • the energy storage device 19 shown in FIG. 5 can be used to support the acceleration and deceleration phase of the moving robot element:
  • the moment of weight of the robot arm and of a tool possibly attached to the robot arm is to be completely compensated for by the action of the energy storage device 19 with two spring elements 20 and 22 connected in parallel. If the robot arm now has to be accelerated upward against the force of gravity, the spring element 21 can be brought into its active operating position to support this acceleration.
  • the energy storage device 19 thus delivers a force which moves the robot arm upward against the force of gravity and thus supports the acceleration of the robot arm.
  • a corresponding procedure applies if the robot arm has to be accelerated downwards in the direction of gravity.
  • one or both of the spring elements 20 and 22 is now brought into the inactive operating position.
  • the effect of the weight balancing system according to the invention is thus temporarily canceled, so that the acceleration of gravity supports the acceleration of the robot arm.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gewichtsausgleichssystem (6) für ein Gerät, vorzugsweise einen Knickarm-Roboter (1), mit wenigstens einem Basiselement (3) und wenigstens einem in dem Basiselement (3) drehbar gelagerten Element (4). Durch das erfindungsgemässe Gewichtsausgleichssystem (6) wird das Gewichtsmoment des bewegten Roboterelementes (4) kompensiert. Hierfür ist das Gewichtsausgleichssystem (6) aus einer Energiespeichereinrichtung (19) aufgebaut, die durch ein Getriebeelement und ein Kreuzschleifenelement an das bewegte Roboterelement (4) angekoppelt ist. Das Getriebeelement kann beispielhaft bestehen aus einem Zahnraadpaar (10) und (12). Das Kreuzschleifenelement ist aufgebaut aus einem Koppelgelenk (16), einem Schieber (17) und einer Führung (18). Durch entsprechende Auslegung des Getriebeelementes und des Kreuzschleifenelementes wird die Kraftkennlinie der Energiespeichereinrichtung (19) in einen sinusförmigen Drehmomentenverlauf an der Drehachse (8) des Roboterelementes (4) gewandelt und bewirkt so eine Kompensation des Gewichtsmomentes des bewegten Roboterelementes (4) für den gesamten Drehbereich der Achse (8).

Description

Gewichtsausgleichssystem für Geräte mit Drehachsen
Die Erfindung betrifft ein Gewichtsausgleichssystem für ein Gerät, eine Maschine oder eine Vorrichtung, vorzugsweise einen Knickarm-Roboter, mit wenigstens einem Basiselement und wenigstens einem bewegten Element, welches über ein Drehgelenk an dem Basiselement drehbar gelagert ist und dessen Schwerpunkt bei einer Schwenkbewegung seine Höhenlage in Bezug auf das Gravitationsfeld der Erde verändert.
Bei derartigen Geräten kann es sich beispielsweise um einen Roboter oder ein Handhabungsgerät handeln. Ein Roboter muss den Roboterarm, der aus mehreren beweglichen Elementen aufgebaut ist, sowie eine Nutzlast entsprechend einer vorgegebenen Funktion bewegen und in einer gewünschten Position halten. Hierzu müssen die Antriebsmotoren ein Drehmoment liefern, welches sich im wesentlichen aus den folgenden Komponenten zusammensetzt:
— Drehmoment zur Überwindung der Gewichtsmomente der bewegten Roboterelemente und der Nutzlast,
— Drehmoment zur Beschleunigung und Verzögerung,
— Drehmoment zur Überwindung von Reibung,
— Drehmoment, welches durch die Arbeitsaufgabe des Roboters verursacht wird, z.B. Einpressvorgang.
Bei einer horizontal angeordneten Drehachse folgt das Gewichtsmoment eines bewegten Roboterelementes einer Sinus- Funktion. In der senkrecht nach oben stehenden Stellung des Roboterelementes ist das auf die Drehachse wirkende Gewichtsmoment Null, es wächst mit Absenkung des Roboterelementes sinusförmig bis auf das in der horizontalen Stellung liegende Maximum an und fällt daraufhin wieder auf Null in der senkrecht nach unten hängenden Stellung. Es sind eine Reihe von verschiedenen Bauformen von Robotern bekannt, bei denen unterschiedliche Arten eines Gewichtsausgleichssystems realisiert sind.
Bei einem Gewichtsausgleichssystem handelt es sich um ein passives, d.h. keine äußere Energie verbrauchendes System, durch welches. das durch die Gewichtskräfte verursachte Drehmoment zumindest teilweise kompensiert wird.
Bei Robotern ohne Gewichtsausgleichssystem müssen die Antriebsmotoren das Gewichtsmoment der bewegten Roboterelemente sowie der Nutzlast überwinden. Nachteilig hierbei ist, dass ein wesentlicher Anteil der Motorleistung für die eigentliche Aufgabe, nämlich die Beschleunigung und Verzögerung der Roboterelemente, verloren geht.
Es sind Roboter mit einem Gewichtsausgleich bekannt, bei denen das Gewichtsmoment des Roboterarmes und der Nutzlast durch ein Gegengewicht zumindest teilweise ausgeglichen wird. Bei einem solchen Gewichtsausgleich brauchen die Antriebsmotoren keine bzw. nicht die vollen Gewichtsmomente zu überwinden und können somit einen großen Anteil ihrer Leistung für die Beschleunigung und Verzögerung der zugeordneten Roboterelemente einsetzen.
Ein derartiger Gewichtsausgleich hat jedoch auch eine Reihe von Nachteilen:
— Durch ein Gegengewicht wird das Massenträgheitsmoment des Roboterelementes insgesamt größer, was sich negativ auf die Dynamik des Roboterelementes auswirkt.
— Der Gewichtsausgleich kann nicht an unterschiedliche Nutzlasten angepasst werden.
— Wegen des durch die Ausgleichsgewichte höheren Gewichtes müssen die einzelnen Roboterelemente steifer und somit wiederum schwerer ausgeführt werden, um eine gute Positioniergenauigkeit des Roboterarmes sicherzustellen. - Oftmals werden durch die Anordnung der Ausgleichsgewichte die Drehwinkel der einzelnen Achsen eingeschränkt, so dass der von der Hand des Roboters erreichbare Arbeitsraum eingeschränkt wird.
Aus der EP 0 819 041 ist ein Roboter mit einem Gewichtsausgleichssystem bekannt, bei der das bewegte Roboterelement durch ein hydropneumatisches System, beispielsweise eine Gasfeder, angelenkt wird. Das eine Ende des hydropneumatischen Systems ist am Grundkörper des Roboters befestigt, während das andere Ende am Oberarm des Roboters befestigt ist. Ein Gewichtsausgleich durch ein derartiges System weist die folgenden Nachteile auf:
- Ein exakter Gewichtsausgleich ist nur für eine bestimmte Winkellage (Arbeitspunkt) des Roboterelementes möglich, in der Umgebung dieses Arbeitspunktes ist für einen kleinen Drehwinkelbereich ein annähernder Gewichtsausgleich realisierbar. In dem restlicher Drehwinkelbereich ist nur ein sehr unvollständiger Gewichtsausgleich möglich.
- Durch die Anlenkung des Gewichtsausgleichssystems an das bewegte Roboterelement wird der Drehwinkelbereich des Roboterelementes eingeschränkt.
- Eine Anpassung des Gewichtsausgleichssystems an unterschiedliche Nutzlasten ist nur mit einem erhöhten Aufwand, z.B. durch eine Druckänderung im hydropneumatischem System möglich.
- Die wirkenden Ausgleichskräfte verändern sich durch Temperatureinflüsse und sind abhängig von der Geschwindigkeit des bewegten Roboterelementes.
- Durch die in dem hydropneumatischen System notwendigen Abdichtungen treten hohe Reibungsverluste auf.
- Neben hohem Wartungsaufwand für ein hydropneumatisches System besteht die Gefahr von Leckagen. Wegen der beschriebenen Nachteile, besonders wegen der unvollständigen Kompensation der Gewichtsmomente in einen großen Drehwinkelbereich und der Einschränkung des Drehwinkelbereiches des Roboterelementes, ist bei Robotern mit einem derartig aufgebauten Gewichtsausgleichssystem i.a. ein Gewichtsausgleich nur für den Oberarm vorhanden.
Aus der DE 100 07 251 ist ein Gewichtsausgleichssystem für einen Roboter bekannt, bei dem das bewegte Roboterelement durch ein Federungssystem angelenkt wird. Hier ist beispielsweise der eine Federendabschnitt am Grundkörper des Roboters befestigt, während der andere Federendabschnitt am bewegten Roboterelement befestigt ist. Auch dieses Gewichtsausgleichssystem weist eine Reihe von Nachteilen auf:
- Ein exakter Gewichtsausgleich ist nur für eine bestimmte Winkellage (Arbeitspunkt) des Roboterelementes möglich, in der Umgebung dieses Arbeitspunktes ist für einen kleinen Drehwinkelbereich ein annähernder Gewichtsausgleich realisierbar. In dem restlicher Drehwinkelbereich ist nur ein sehr unvollständiger Gewichtsausgleich möglich.
- Durch die Anlenkung des Gewichtsausgleichssystems an das bewegte Roboterelement wird der Drehwinkelbereich des Roboterelementes eingeschränkt.
- Zur Anpassung an verschiedene Nutzlasten muss das' Federungssystem manuell umgebaut werden.
- Das Bauvolumen der Federungssysteme ist sehr groß, um die notwendigen Kräfte aufbringen zu können.
Wegen der beschriebenen Nachteile ist bei Robotern mit einem derartig aufgebauten Gewichtsausgleichssystem i.a. ein Gewichtsausgleich nur für den Oberarm vorhanden.
In den Patentschriften DD 296 442, DD 252 148, DD 219 719 und DD 154 282 werden Gewichtsausgleichseinrichtungen für Roboter beschrieben, bei denen ein Federungssystem durch eine Kurvenscheibe angelenkt wird. Mit einer entsprechend ausgestalteten Kurve wird erreicht, dass die lineare Federkraftcharakteristik einen sinunsförmigen Drehmomentverlauf bewirkt. Es ist somit eine exakte Kompensation des Gewichtsmomentes des bewegten Roboterelementes in jeder beliebigen Winkelstellung möglich. Solche Kurvenscheiben sind jedoch sehr aufwendig in der Herstellung und unterliegen einem starken Verschleiß. Darüber hinaus treten bei einer derartigen Konstruktion sehr hohe Kräfte und Flächenpressungen auf.
Bei den zur Zeit auf dem Markt angebotenen Robotern ist ein derartig aufgebautes Gewichtsausgleichssystem nicht realisiert .
Aus der DE 198 01 229 ist ein Gewichtsausgleichssystem bekannt, bei der man durch hintereinandergeschaltete Federn mit unterschiedlichen Federkonstanten und mechanisch begrenzten Federwegen für das Gesamtsystem eine Federkonstante erhält, die einen nicht mehr konstanten Verlauf, sondern einen der Sinus-Funktion angenäherten Verlauf besitzt. Nachteilig bei diesem System ist, dass eine näherungsweise Kompensation des Gewichtsmomentes nur in dem Drehwinkelbereich von der senkrecht nach oben stehenden Stellung des Roboterelementes bis in die waagerecht liegende Stellung des Roboterelementes stattfindet.
Aus der EP 0 165 129 ist ein Gewichtsausgleichssystem bekannt, bei dem ein Federmechanismus über eine Kreuzschleife und ein Gelenkgetriebe angelenkt wird. Nachteilig bei der in der genannten Patentschrift offenbarten Lösung ist der erheblichen Platzbedarf für das Gewichtsausgleichssystem. Weiterhin ist mit dem beschriebenen System eine Kompensation des Gewichtsmomentes nicht für den gesamten Drehwinkelbereich der Achse (360 Grad) möglich. Auch die beiden letztgenannten Bauformen von Gewichtsausgleichssystemen sind bei den zur Zeit auf dem Markt angebotenen Robotern nicht realisiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Gewichtsausgleichssystem für Roboter zu schaffen, welches bei einem möglichst einfachen Aufbau die eingangs genannten Nachteile der bekannten Gewichtsausgleichssysteme vermeidet. Insbesondere soll das Gewichtsmoment des bewegten Roboterelementes für den gesamten Drehbereich der Achse in jeder Stellung möglichst exakt kompensiert werden, ohne das Massenträgheitsmoment des bewegten Elementes wesentlich zu vergrößern. Darüber hinaus soll das Gewichtsausgleichssystem für ein bewegtes Element, z.B. den Oberarm eines Roboters, wie auch für mehrere bewegte Elemente, z.B. den Oberarm und den Unterarm eines Roboters, einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform gelöst.
Die Erfindung sieht vor, das Gewichtsausgleichssystem aus einer Energiespeichereinrichtung in Kombination mit einem Kreuzschleifenelement und einem Getriebeelement aufzubauen. Das bewegliche Element des Roboters ist mit der passiven, d.h. keine äussere Energie verbrauchenden Energiespeichereinrichtung mechanisch gekoppelt, diese Koppelung wird durch das Getriebeelement und das Kreuzschleifenelement realisiert. Bei einer Bewegung des Roboterelementes wird die Energiespeichereinrichtung entsprechend einer durch das Getriebeelement und das Kreuzschleifenelement festgelegten Funktion ausgelenkt. Bei dem Energiespeicher handelt es sich beispielsweise um eine oder mehrere Druckfedern, Zugfedern, Gasfedern oder um ein hydropneumatisches oder magnetisches System.
Bei dem Getriebeelement handelt es sich vorzugsweise um ein Zahnradpaar mit zwei exzentrisch laufende Stirnrädern oder Unrundzahnrädern. Das erste Zahnrad ist mit der Achse des beweglichen Roboterelementes verbunden, während das zweite Zahnrad mit der Kurbel des Kreuzschlei enelementes verbunden ist .
Durch die besondere Ausgestaltung des Getriebeele enetes und des Kreuzschleifenelementes wird erreicht, dass die Kraftcharakteristik der Energiespeichereinrichtung in einen näherungsweise sinusförmigen Drehmomentenverlauf an der Drehachse des beweglichen Roboterelementes gewandelt wird. Dieser näherungsweise sinusförmige Drehmomentenverlauf entspricht in etwa dem Drehmomentenverlauf der Gewichtskraft des bewegten Roboterelementes, wirkt jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Es wird somit eine annähernd exakte Kompensation des Gewichtsmomentes des beweglichen Roboterelementes erreicht.
In Abhängigkeit von der Art der Kraftkennlinie der Energiespeichereinrichtung kann das Getriebeelement und das Kreuzschleifenelement derartig ausgelegt werden, dass das Gewichtsausgleichssystem eine möglichst gute Kompensation des Gewichtsmomentes bewirkt.
Energiespeichereinrichtungen, die aus Federungssystemen aufgebaut sind, haben in der Regel eine lineare Kraftkennlinie, d.h. die Kraft steigt proportional mit einer zunehmenden Auslenkung des Energiespeichers. Bei diesen Systemen kann durch eine entsprechende Auswahl der Exzentrizität des Zahnradpaares bzw. durch eine entsprechende Auslegung der Wälzkurven der Unrundzahnräder eine exakte Kompensation des Gewichtsmomentes des bewegten Roboterelementes erreicht werden.
Es gibt jedoch auch Energiespeichereinrichtungen mit einer konstanten Kraftkennlinie. Diese können beispielsweise aus einem hydraulischen, pneumatischen oder magnetischen System bestehen. Bei diesen Systemen ist die von der Energiespeichereinrichtung gelieferte Kraft zumindest annähernd unabhängig von der Auslenkung des Energiespeichers. Bei diesen Systemen kann auf das Getriebeelement ggfls. komplett verzichtet werden, d.h. ein aus einem Kreuzschleifenelement und einer solchen Energiespeichereinrichtung aufgebautes
Gewichtsausgleichssystem bewirkt eine exakte Kompensation des Gewichtsmomentes des bewegten Roboterelementes.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Gewichtsausgleichssystem eine Kompensation des Gewichtsmoments für den gesamten Drehbereich der Achse (360 Grad) bewirkt. Weiterhin wird der Wirkungsbereich bzw. die Bewegungsmöglichkeiten des bewegten Elementes durch das Gewichtsausgleichssystem nicht beeinträchtigt.
Durch diese besonderen Merkmale wird es möglich, das Gewichtsausgleichssystem vorteilhafterweise sowohl für ein bewegliches Element, beispielsweise den Oberarm eines Roboters, wie auch für mehrere gekoppelte bewegliche Elemente, beispielsweise den Oberarm und den Unterarm eines Roboters, einzusetzen.
Das Gewichtsausgleichssystem kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung automatisch an wechselnde Nutzlasten angepasst werden oder auch zur Unterstützung der Antriebseinrichtung während der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase des Roboterelementes eingesetzt werden. Für das Gewichtsausgleichssystem sind neben dem Einsatz in Robotern noch viele weitere Einsatzfälle für angetrieben sowie manuell bewegte Systeme denkbar.
Bei angetriebenen Systemen, wie beispielsweise Roboter, Handhabungsgeräten, Hebezeuge und sonstigen Maschinen werden die Antriebseinrichtungen durch Einsatz des Gewichtsausgleichssystems entlastet. Hierdurch erhält man höhere Verfahrgeschwindigkeiten und damit kürzere Taktzeiten. Zudem kann der Energieverbrauch der Antriebseinrichtungen reduziert werden.
Bei manuell bewegten Systemen wie beispielsweise Manipulatoren und Öffnungsklappen, wird durch Einsatz des Gewichtsausgleichssystems die zum Bewegen der Last notwendige Kraft vermindert .
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung. Die nachfolgende Beschreibung erfolgt exemplarisch am Beispiel eines Vertikal-Knickarm-Roboters, sie gilt jedoch analog für ähnliche Vorrichtungen mit einer oder mehreren Drehachsen, bei denen Gewichtskräfte zu überwinden sind.
Die Figuren der Zeichnungen zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer
Ausführungsform eines Roboters mit einem beweglichen Element und einem
Gewichtsausgleichssystem Fig. 2a bis 2b eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform eines Roboters mit einem beweglichen Element und einem Gewichtsausgleichssystem in zwei verschiedenen Stellungen des
Roboterelementes Fig. 3a bis 3d einen Roboter mit einem beweglichen Element und einem Gewichtsausgleichssystem in vier verschiedenen Stellungen des
Roboterelementes Fig. 4 eine Ausführungsform eines Roboters mit zwei beweglichen Elementen in einer perspektivischen Ansicht Fig. 5 eine Energiespeichereinrichtung mit
VerStelleinrichtung
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Vertikal- Knickarm-Roboters mit einem beweglichen Element und einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewichtsausgleichssystems .
Der Roboter 1 ist aufgebaut aus dem Basiselement 3 und dem ersten Roboterelement (Oberarm) 4. Der Oberarm 4 ist durch die erste Drehachse 8 drehbar im Basiselement 3 gelagert. Der Oberarm 4 ist mit dem ersten Gewichtsausgleichssystem 6 sowie der hier nur teilweise dargestellten Antriebseinrichtung 9 gekoppelt.
Eine detaillierte Beschreibung der Funktion und der Wirkungsweise des Gewichtsausgleichssystems erfolgt unter Bezug auf die Fig. 2a und 2b.
Die Fig. 2a und 2b zeigen eine schematische Darstellung des in Fig. 1 dargestellten Roboters 1 mit einem beweglichen Element und einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewichtsausgleichssystems 6 in zwei verschiedenen Stellungen. Das erste Roboterelement (Oberarm) 4 ist in der ersten Drehachse 8 drehbar gelagert, er wird durch eine hier nicht dargestellte Antriebseinrichtung angetrieben. Die Bewegung des Oberarmes 4 wird durch ein Zahnradpaar auf die Kurbel der Kreuzschleife 15 übertragen. Bei dem Zahnradpaar handelt es sich hier beispielhaft um die zwei exzentrisch laufenden Stirnräder 10 und 12.
Das erste Zahnrad 10 ist fest mit dem Oberarm 4 verbunden, es dreht sich nicht um seine Mittelachse 11, sondern gemeinsam mit dem Oberarm um die erste Drehachse 8. Auch das zweite Zahnrad 12, welches in Eingriff mit Zahnrad 10 steht, dreht sich nicht um seine Mittelachse 13, sondern um die hierzu versetzte Drehachse 14. Die Drehung des Zahnrades 12 wird über die mit dem Zahnrad verbundene Kurbel der Kreuzschleife 15 und das Koppelgelenk der Kreuzschleife 16 auf den Schieber der Kreuzschleife 17 übertragen. Der Schieber 17 ist in der Führung 18 verschiebbar gelagert. Eine lineare Auf- und Abwärtsbewegung des Schiebers bewirkt eine Auslenkung der Energiespeichereinrichtung 19, die hier beispielhaft aus drei Druckfedern aufgebaut ist.
Die Wirkungsweise des Gewichtsausgleichssystems 6 wird mit der folgenden anschaulichen Erklärung verdeutlicht, indem der Oberarm 4 in vier verschiedenen Stellungen betrachtet wird:
— In der senkrecht nach oben stehenden Stellung des Oberarmes 4 (Winkelstellung 0 Grad) steht auch die Kurbel der Kreuzschleife 15 senkrecht nach oben.
— In der durch Fig. 2a gegebenen Stellung des Oberarmes 4 (Winkelstellung 45 Grad) hat sich die Kurbel der
Kreuzschleife 15 schon um einen Winkelbetrag von mehr als 45 Grad bewegt.
— In der durch Fig. 2b gegebenen Stellung des Oberarmes 4 (Winkelstellung 135 Grad) hat sich die Kurbel der
Kreuzschleife 15 wiederum um einen Winkelbetrag von mehr als 135 Grad gedreht. - In der senkrecht nach unten hängenden Stellung des
Oberarmes 4 (Winkelstellung 180 Grad) zeigt auch die Kurbel der Kreuzschleife 15 senkrecht nach unten.
Wie man aus den Abbildungen in Fig. 2a und 2b entnehmen kann, wird durch das exzentrisch laufende Zahnradpaar 10 und 12 die Bewegung des Oberarmes 4 nicht gleichförmig auf das Kreuzschleifenelement übertragen. Während sich das erste Zahnrad 10 von der senkrecht nach oben stehenden Stellung (Winkelstellung 0 Grad) in die waagerecht liegende Stellung (Winkelstellung 90 Grad) bewegt, eilt das zweite Zahnrad 12 dem Drehwinkel von Zahnrad 10 in zunehmenden Maße vor. Diese Voreilung wird wieder abgebaut, während sich das erste Zahnrad 10 von der Winkelstellung 90 Grad in die senkrecht nach unten hängende Stellung (Winkelstellung 180 Grad) bewegt .
Wie man erkennen kann, ist in der Winkelstellung von 45 Grad (Fig. 2a) der Kraftarm 30 größer und die Kraft 31 kleiner als in der Winkelstellung von 135 Grad (Fig. 2b) . Das Gewichtsausgleichssystem 6 muß nun so ausgelegt werden, dass das Produkt aus der Kraft 31 und dem Kraftarm 30 für jede Winkelstellung der Oberarmes 4 möglichst exakt dem Produkt aus der Gewichtskraft des Oberarmes 4 und dem Lastarm 29 entspricht.
Bei einer derartigen Auslegung wird die Gewichtskraft des Oberarmes 4 durch das Gewichtsausgleichssystem 6 kompensiert.
Der Effekt der ungleichförmigen Drehübertragung durch das exzentrisch laufende Zahnradpaar 10 und 12 kann auch durch andere konstruktive Lösungen erreicht werden. Eine vorteilhafte Lösungsmöglichkeit liegt beispielsweise im Einsatz von Unrundzahnrädern. Die Fig. 3a bis 3d zeigen den in Fig. 1 dargestellten Roboter in verschiedenen Stellungen.
Der Roboter 1 ist aufgebaut aus dem Basiselement 3 und dem ersten Roboterelement (Oberarm) 4. Der Oberarm 4 ist durch die erste Drehachse 8 drehbar im Basiselement 3 gelagert. Der Oberarm 4 ist mit dem ersten Gewichtsausgleichssystem 6 sowie einer hier nicht dargestellten Antriebseinrichtung gekoppelt. Die Funktion und die Wirkungsweise des
Gewichtsausgleichssystems 6 entspricht dem unter Bezug auf die Fig. 2a und 2b beschriebenen System.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Vertikal-Knickarm- Roboters mit zwei beweglichen Elementen und den zugeordneten erfindungsgemäßen GewichtsausgleichsSystemen. Der Roboter 2 ist aufgebaut aus einem Basiselement 3, einem ersten Roboterelement (Oberarm) 4 und einem zweiten Roboterelement (Unterarm) 5. Der Oberarm 4 ist durch die erste Drehachse 8 im Basiselement 3 drehbar gelagert und wird durch die erste Antriebseinrichtung 9 angetrieben. Der Oberarm 4 steht in direkter Verbindung mit dem ersten Gewichtsausgleichssystem 6, die Funktion und die Wirkungsweise dieses Gewichtsausgleichssystems entspricht dem unter Bezug auf die Fig. 2a und 2b beschriebenen System.
Der Unterarm 5 ist durch die zweite Drehachse 26 im Oberarm 4 drehbar gelagert. Er wird durch die zweite
Antriebseinrichtung 27 angetrieben. Diese Antriebseinrichtung 27 sowie das zweite Gewichtsausgleichssystem 7 sind am Basiselement 3 des Roboters befestigt. Daher ist der Unterarm 5 über den Übertragungsmechanismus 28 mit dem Gewichtsausgleichssystem 7 und der Antriebseinrichtung 27 gekoppelt. Bei dem Übertragungsmechanismus kann es sich beispielsweise um einen Riemen oder eine Kette handeln. ' Die Funktion und die Wirkungsweise des zweiten Gewichtsausgleichssystems 7 entspricht wiederum dem unter Bezug auf die Fig. 2a und 2b beschriebenen System.
Fig. 5 zeigt eine Energiespeichereinrichtung mit einer Verstelleinrichtung zur Anpassung der Kraftkennlinie der Energiespeichereinrichtung an unterschiedliche Betriebsbedingungen .
Die Energiespeichereinrichtung 19 ist beispielhaft aufgebaut aus drei parallel geschalteten Federelementen 20, 21 und 22, die hier als Druckfedern ausgebildet sind. Die Federelemente 20, 21 und 22 sind durch Versteileinrichtungen 23, 24 und 25 zwischen einer aktiven und einer inaktiven Betriebsstellung verstellbar. Die Versteileinrichtungen 23, 24 und 25 können beispielsweise als Pneumatikzylinder ausgebildet sein. In Fig. 5 befinden sich die Federelemente 20 und 22 in der aktiven Betriebsstellung, während sich das Federelement 21 in der inaktiven Betriebsstellung befindet. Die Federelemente 20 und 22 sind kraftschlüssig mit dem Schieber der Kreuzschleife 17 gekoppelt, wohingegen das Federelement 21 durch die Verstelleinrichtung 24 soweit komprimiert ist, das es den Schieber der Kreuzschleife 17 nicht berührt. Durch einen derartigen Aufbau wird erreicht, dass die Energiespeichereinrichtung 19 mit unterschiedlichen Kraftkennlinien betrieben werden kann.
Am Beispiel eines Roboterarmes kann die vorteilhafte Anwendung einer solchen einstellbaren
Energiespeichereinrichtung zur Anpassung an unterschiedliche Nutzlasten verdeutlicht werden:
Die Aufgabe des Roboterarmes sei der Transport einer Nutzlast von einer ersten Position in eine zweite Position und die anschließende Rückbewegung des Roboterarmes ohne eine Nutzlast in die erste Position. Bei der Parallelschaltung von zwei Federelementen 20 und 22 wird ein Gewichtsausgleich des Roboterarmes ohne eine Nutzlast erreicht, während bei einer Parallelschaltung aller drei Federelemente 20, 21 und 22 ein Gewichtsausgleich für den Roboterarm mit der Nutzlast stattfindet .
Sobald der Roboter nun die Nutzlast greift oder ablegt, wird das Federelement 22 zwischen der inaktiven und der aktiven Stellung umgeschaltet.
Weiterhin kann die in Fig. 5 dargestellte Energiespeichereinrichtung 19 zur Unterstützung der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase des bewegten Roboterelementes eingesetzt werden:
Das Gewichtsmoment des Roboterarmes sowie eines gegebenenfalls am Roboterarm befestigten Werkzeuges sei durch die Wirkung der Energiespeichereinrichtung 19 mit zwei parallel geschalteten Federelementen 20 und 22 vollständig ausgeglichen. Wenn nun der Roboterarm entgegen der wirkenden Schwerkraft nach oben beschleunigt werden muss, kann zur Unterstützung dieser Beschleunigung das Federelement 21 in seine aktive Betriebsstellung gebracht werden. Somit liefert die Energiespeichereinrichtung 19 eine Kraft, die den Roboterarm entgegen der Schwerkraft nach oben bewegt und damit die Beschleunigung des Roboterarmes unterstützt.
Eine entsprechende Vorgehensweise gilt, wenn der Roboterarm in Richtung der Schwerkraft nach unten beschleunigt werden muss. In diesem Fall wird nun eines oder auch beide der Federelemente 20 und 22 in die inaktive Betriebsstellung gebracht. Damit wird die Wirkung des erfindungsgemäßen Gewichtsausgleichssystems vorübergehend aufgehoben, so dass die Erdbeschleunigung die Beschleunigung des Roboterarmes unterstützt .
Für den Fall der Verzögerung des Roboterarmes gelten analoge Überlegungen.
Sezugszeichenliste :
1 Roboter mit einem beweglichen Element und Gewichtsausgleichssystem
2 Roboter mit zwei beweglichen Elementen und zugeordneten GewichtsausgleichsSystemen
3 Basiselement des Roboters
4 erstes Roboterelement (Oberarm)
5 zweites Roboterelement (Unterarm)
6 erstes Gewichtsausgleichssystem (für Oberarm)
7 zweites Gewichtsausgleichssystem (für Unterarm)
8 erste Drehachse (für Oberarm)
9 erste Antriebseinrichtung (für Oberarm)
10 erstes Zahnrad
11 erste Mittelachse (für erstes Zahnrad)
12 zweites Zahnrad
13 zweite Mittelachse (für zweites Zahnrad)
14 Drehachse (für zweites Zahnrad)
15 Kurbel der Kreuzschleife
16 Koppelgelenk der Kreuzschleife
17 Schieber der Kreuzschleife
18 Führung der Kreuzschleife
19 Energiespeichereinrichtung
20 erstes Federelement
21 zweites Federelement
22 drittes Federelement
23 erste Verstelleinrichtung
24 zweite Verstelleinrichtung
25 dritte Verstelleinrichtung
26 zweite Drehachse (für Unterarm)
27 zweite Antriebseinrichtung (für Unterarm)
28 Übertragungsmechanismus
29 Lastarm
30 Kraftarm
31 Kraft

Claims

Patentansprüche
1. Gewichtsausgleichssystem für einen Roboter mit wenigstens einem Basiselement und wenigstens einem bewegten Element, welches über ein Drehgelenk an dem Basiselement drehbar gelagert ist und dessen Schwerpunkt bei einer Drehbewegung seine Höhenlage in Bezug auf das Gravitationsfeld der Erde verändert, dadurch gekennzeichnet, dass das
Gewichtsausgleichssystem aufgebaut ist aus wenigstens einer Energiespeichereinrichtung, die mit wenigstens einem beweglichen Element über ein . Kreuzschleifenelement und ein Getriebeelement gekoppelt ist.
2. Gewichtsausgleichssystem für einen Roboter mit wenigstens einem Basiselement und wenigstens einem bewegten Element, welches über ein Drehgelenk an dem Basiselement drehbar gelagert ist und dessen Schwerpunkt bei einer Drehbewegung seine Höhenlage in Bezug auf das Gravitationsfeld der Erde verändert, dadurch gekennzeichnet, dass das
Gewichtsausgleichssystem aufgebaut ist aus wenigstens einer Energiespeichereinrichtung mit einer zumindest annähernd konstanten Kraftkennlinie, die mit wenigstens einem beweglichen Element über ein Kreuzschleifenelement gekoppelt ist.
3. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebeelement aus wenigstens zwei Zahnrädern besteht, die an Drehachsen exzentrisch gelagert sind.
4. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebeelement aus wenigstens zwei Unrundzahnrädern besteht.
5. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder als Stirnräder ausgebildet sind.
6. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Energiespeichereinrichtung aus einem oder mehreren Federelementen aufgebaut ist.
7. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente als Zug- oder Druckfedern ausgebildet sind.
8. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente als Gasfedern ausgebildet sind.
9. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Energiespeichereinrichtung aus einem magnetischen System aufgebaut ist.
10. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Energiespeichereinrichtung aus einem pneumatischen System aufgebaut ist.
11. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Energiespeichereinrichtung aus einem hydraulischen System aufgebaut ist.
12. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung aus einem hydropneumatischen System aufgebaut ist.
13. Gewichtsausgleichssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung aus mehreren parallelgeschalteten Einzelelementen aufgebaut ist und wenigstens eines der Einzelelemente durch eine Verstelleinrichtung von dem Kreuzschleifenelement ein- und auskoppelbar ist.
13. Gewichtsausgleichssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung durch einen Hydraulik- oder Pneumatikzylinder betätigt wird.
14. Knickarm-Roboter mit einem Basiselement sowie wenigstens zwei beweglichen Elementen, von denen das erste Element durch eine erste Achse drehbar im Basiselement gelagert ist und das zweite Element durch eine zweite Achse drehbar im ersten Element gelagert ist, dadurch gekennzeichnet,
— dass das erste Element mit einem ersten Gewichtsausgleichssystem nach einem der Ansprüche 1 bis' 13 gekoppelt ist und
— dass das zweite Element mit einem zweiten Gewichtsausgleichssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gekoppelt ist.
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