WO2008092540A1 - Vorrichtung zum bewegen und positionieren eines gegenstandes im raum - Google Patents

Vorrichtung zum bewegen und positionieren eines gegenstandes im raum Download PDF

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WO2008092540A1
WO2008092540A1 PCT/EP2007/064618 EP2007064618W WO2008092540A1 WO 2008092540 A1 WO2008092540 A1 WO 2008092540A1 EP 2007064618 W EP2007064618 W EP 2007064618W WO 2008092540 A1 WO2008092540 A1 WO 2008092540A1
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connecting rods
axis
joint
biasing
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PCT/EP2007/064618
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Michael Breu
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Robert Bosch Gmbh
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0258—Two-dimensional joints
    • B25J17/0266—Two-dimensional joints comprising more than two actuating or connecting rods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/003—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0045—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a rotary joint at the base
    • B25J9/0051—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a rotary joint at the base with kinematics chains of the type rotary-universal-universal or rotary-spherical-spherical, e.g. Delta type manipulators
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    • Y10T74/20329—Joint between elements

Definitions

  • the invention relates to a device for moving and positioning an object in space, with at least three associated with each motor / gear unit, pivotable about a transmission axis actuating arms, provided for arranging at least one gripping means for gripping the object support member, each actuating arm on its free end has a first hinge axis lying parallel to the transmission axis and having a first ball joint arranged at a distance from one another, the support element has a second articulation axis assigned to each actuation arm with spaced apart first articulated parts of a respective second ball joint, the first articulation axis is connected to the second hinge axis via a pair of connecting rods with terminal second hinge parts and the terminal second hinge parts of the connecting rods with the first hinge parts on the first hinge axis and the first hinge parts on d the second hinge axis forming the first and second ball joints, and wherein the connecting rods are connected to each other for stabilizing the ball joints.
  • the apparatus for moving and positioning an object in space is a device referred to
  • a known from the term "delta robot" device of the aforementioned type with three parallelogram is known from WO-A-03/106114.
  • the two parallelogram connecting rods of rigid material have in the ball joints in pairs laterally projecting pins. Pair- wise arranged on opposite sides of the connecting rods and placed around the pin O-rings of rubber-elastic material are stretched elastically. By the biasing force generated between the two connecting rods, the joint sockets are held on the balls. Next results from the bias, the required restoring moment, which prevents rotation of the rods by friction, dynamic forces and forces mounted on the rods components, such as vacuum hoses. Instead of rubber-elastic O-rings are now used in pairs arranged springs use. Also known from US Pat. No. 6,419,211 are non-paired spring elements with two angle elements and a compression spring arranged between them.
  • Hygiene requirements make it impossible to use conventional spring elements such as e.g. Steel springs.
  • US-A-6 516 681 discloses a parallel kinematic robot with four parallelogram gensets. known.
  • the invention has for its object to avoid the disadvantages occurring in a device of the type mentioned above with the known from the prior art biasing elements disadvantages.
  • the connecting rods consisting of a substantially elastic material are connected to one another via at least one biasing element made of a substantially rigid material.
  • the connecting rods are connected to each other via two biasing elements.
  • the distance between the connection parts of the pretensioning elements intended for fixing to the connecting rods is less than the distance of the connecting rods in the unloaded state.
  • Suitable elastic materials for the connecting rods are for example carbon fiber material, steel or aluminum.
  • the biasing member preferably comprises two substantially strip-shaped and spaced-apart holder parts and two sleeves rotatably mounted between the holder parts and fixed to the connecting rods, at least the strip-shaped holder parts being made of a rigid material, in particular a rigid plastic material, e.g. made of a fiber-reinforced thermoplastic.
  • the sleeves are expediently made of two available, in the assembled state a passage opening for the connecting rods forming cuff parts and have projecting from its back, usable in corresponding bearings in the strip-shaped holder parts bearing pin.
  • the exchange according to the invention of the elastic / non-elastic properties of the elements cooperating in the generation of the prestressing has the following advantages in comparison with the previous solution: Preload force and spring stiffness / spring constant of the entire clamping system can be precisely defined by the axial position of the clamps / sleeves and the defined undersize of the distances of the connecting rods and allows a calibration of each individual system. - Reduced preload force due to higher spring stiffness, resulting in reduced wear.
  • the biasing elements consist of two clamps or sleeves, which are fixed to the rods once in all degrees of freedom as required and are mounted hinged with simultaneous fixation in the axial direction, and an intermediate, in opposite to the terminals in a degree of freedom articulated train / compression element.
  • the preload system thus meets the requirements and remains mechanically under-determined.
  • the described storage of the clamps or sleeves enables a skewed rotation of the rods against each other, whereby a further assembly relief can be brought about.
  • the process increases the absolute spatial separation stand two primary or secondary ball joint pans and can be reversed when rotating the rods in parallel position again. After all parallelograms have been assembled, skewed rotation is only possible again in the event of overload and leads to decoupling.
  • a connecting rod for maintenance can be manually easily decoupled by the rods are compressed in the middle.
  • the load case of the pretensioner elements thus changes from tensile to compressive load.
  • the bars "open" outside the pretensioning elements and can be removed from the joints, which can be done with one hand, while today the bars have to be "torn" away from the joints with two hands.
  • the assembly can be done in the same way. However, here an auxiliary element is necessary which blocks the parallelogram angle, since otherwise the parallelogram simply "collapses.” This can also be achieved by a corresponding device on the pretensioning elements by blocking the joints.
  • a further advantage of the invention is that, if an overload on the joints occurs on one side of the parallelogram, the joints also open slightly on the opposite side, so that decoupling also takes place in a simplified manner. Thus, the decoupling occurs at the desired load with a higher reliability.
  • the pretensioning elements can be produced inexpensively from suitable, slide-modified plastics, it being possible to use two suitable, different plastics, so that no bearing shell or lubrication is necessary for the joints as a result of the choice of material pairing on the pretensioning elements.
  • a biasing element in the middle of the rods can be arranged. But this will lose the benefits of easy disassembly.
  • the bars must be more "bent", which is negative for the accuracy of the robot, and the connecting element must be able to absorb a torsional moment across the bar axes to block twisting of the connecting bars in that direction.
  • Figure 1 is an oblique view of a delta robot
  • Figure 2 is an oblique view of a equipped with two bias elements parallelogram linkage of the delta robot of Figure 1 in an enlarged Dari o position.
  • FIG. 3 shows a biasing element of the parallelogram linkage of Fig. 2 in an enlarged view.
  • a delta robot 10 shown in FIG. 1 has a base element 12 with a horizontal mounting plane and three brackets 14 protruding from the base element 12 for receiving one motor / gear unit 16 each. On each of a transmission shaft s defining transmission shaft of each motor / gear unit 16 sits around the transmission axis
  • first hinge rod 20 s pivotal actuating arm 18.
  • the three transmission axes s lie in a plane parallel to the mounting plane of the base member 12 and their intersections form the corners of an equilateral triangle.
  • At the free end of each actuating arm 18 is a parallel to the transmission axis s lying first hinge axis m defining first hinge rod 20 is fixed.
  • Each first hinge rod 20 has at both ends
  • first joint part 22 each of a first ball joint 24.
  • the paired first joint parts 22 are arranged mirror-symmetrically relative to each other with respect to a vertical plane, wherein the three vertical planes intersect in a common, an axis of symmetry for the arrangement of the three motor / gear units 18 forming vertical axis and each enclose an angle of 120 °.
  • a support element 26 also called a tool carrier or platform, which is essentially designed as a plate with an equilateral triangle forming side edge 28, is equipped on each of the three side edges 28 with a second second joint rod 30 defining a second joint axis n. Every second articulated rod 30 points to its
  • each second hinge rod 30 each have a first joint part 32 each of a second ball joint 34 at both ends.
  • the paired first hinge parts 32 of each second hinge rod 30 are arranged with respect to an angle bisector of the support member 26 characterizing equilateral triangle mirror symmetry to each other.
  • the distance between the first joint parts 22 at the free end of each actuating arm 18 is identical to the distance between the first joint parts 32 at the side edges 28 of the support element 26.
  • Each actuator arm 18 is associated with a side edge 28 of the support member 26.
  • a pair of identically designed connecting rods 36, 38, also called Parallelogrammstäbe have at their ends an end piece 39, each having a second hinge part 40, 42.
  • Each second joint part 40, 42 forms with a first joint part 22, 32 at the free end of the actuating arm 18 and at the side edge 28 of the support element 26, a corresponding first and second ball joint 24, 34th
  • the first joint parts 22, 32 at the free end of the actuating arm 18 and at the side edge 28 of the support member 26 are designed as joint balls, the second joint parts 40, 42 on the end pieces 39 of the connecting rods 36, 38 as joint sockets.
  • the connection of the actuating arms 18 with the support member 26 via a respective Parallelogramm- linkage 44 prevents the rotation of the support member 26 about axes in all three space dimensions. Accordingly, the support member 26 can only move parallel to itself in response to movement of the actuation arms 18.
  • the controlled pivotal movement of the actuating arms 18 about the transmission axes s is therefore converted into a linear movement of the support member 26.
  • the support member 26 is connected to the base member 12 via a telescopically adjustable in length central shaft 46 for transmitting torques.
  • the central shaft 46 is fixed via a universal joint on the support element 26.
  • the central shaft 46 is connected to a drive shaft of a servomotor, not shown in the drawing. about the central shaft 46, a rotation of the support member 26 can be generated in three-dimensional space.
  • the two connecting rods 36, 38 are connected to each other via a biasing element 48 lying substantially parallel to the joint axes m, n.
  • Each biasing member 48 consists of two substantially strip-shaped holder parts 50, 52, each with a centrally and vertically projecting web portion 54, 56.
  • the adjoining with their faces web portions 54, 56 serve as spacers for the two mutually parallel and in the region of the web parts 54th , 56, for example, by screwing or via a clip connection releasably connected to each other holder parts 50, 52nd
  • Each sleeve 62 consists of two in the assembled state, a passage opening for the connecting rods 36, 38 forming sleeve parts 66, 68, the projecting from its back, in corresponding bearing of the holder parts 50, 52 have usable bearing pin.
  • Each passage opening has an axis lying in a plane perpendicular to the axis of rotation e of the bearing pin axis.
  • a sleeve 62 forming collar portions 66, 68 are placed around each connecting rod and glued together, screwed or otherwise connected.
  • one of the collars 62 of the biasing member 48 is fixed to a first connecting rod 36, for example by gluing.
  • the other sleeve 62 is not fixed to the second connecting rod 38, but is limited to this rotationally in two degrees of freedom only by the connecting rod 38, set unrestricted in the third degree of freedom.
  • the two sleeves 62 are used with their bearing pins in the corresponding bearings in the strip-shaped holder parts 50, 52. After screwing or clipping the two holder parts 50, 52, the two sleeves 62 remain freely rotatable about their pivot about their axis of rotation e between the two holder parts 50, 52.
  • a vibration-damping intermediate layer 69 is respectively arranged on the inside of the sleeve 62 fixed to the connecting rod 36, 38.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum, mit wenigstens drei mit je einer Motor/Getriebeeinheit (16) verbundenen, um eine Getriebeachse (s) schwenkbaren Betätigungsarmen (18), einem zur Anordnung wenigstens eines Greifmittels zum Greifen des Gegenstandes vorgesehenen Tragelement (26), wobei jeder Betätigungsarm (18) an seinem freien Ende eine parallel zur Getriebeachse (s) liegende erste Gelenkachse (m) mit in Abstand zueinander angeordneten ersten Gelenkteilen (22) je eines ersten Kugelgelenks (24) aufweist, das Tragelement (26) je eine jedem Betätigungsarm zugeordnetezweite Gelenkachse (n) mit in Abstand zueinander angeordneten ersten Gelenkteilen (32) je eines zweiten Kugelgelenks (24) aufweist, die erste Gelenkachse (m) mit der zweiten Gelenkachse (n) über ein Paar Verbindungsstäbe (36, 38) mit endständigen zweiten Gelenkteilen (40, 42) verbunden ist und die endständigen zweiten Gelenkteile (40, 42) der Verbindungsstäbe (36, 38) mit den ersten Gelenkteilen (22) auf der ersten Gelenkachse (m) und den ersten Gelenkteilen (32) auf der zweiten Gelenkachse (n) die ersten und zweiten Kugelgelenke (24, 34) bilden, und wobei die Verbindungsstäbe (36, 38) zur Stabilisierung der Kugelgelenke (24, 34) miteinander verbunden sind, bestehen die Verbindungsstäbe (36, 38) aus einem im wesentlichen elastischen Material und sindüber wenigstens ein Vorspannelement (48) aus einemim wesentlichensteifen Material miteinander verbunden.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum, mit wenigstens drei mit je einer Motor/Getriebeeinheit verbundenen, um eine Getriebeachse schwenkbaren Betätigungsarmen, einem zur Anordnung we- nigstens eines Greifmittels zum Greifen des Gegenstandes vorgesehenen Tragelement, wobei jeder Betätigungsarm an seinem freien Ende eine parallel zur Getriebeachse liegende erste Gelenkachse mit in Abstand zueinander angeordneten ersten Gelenkteilen je eines ersten Kugelgelenks aufweist, das Tragelement je eine jedem Betätigungsarm zugeordnete zweite Gelenkachse mit in Abstand zueinander angeord- neten ersten Gelenkteilen je eines zweiten Kugelgelenks aufweist, die erste Gelenkachse mit der zweiten Gelenkachse über ein Paar Verbindungsstäbe mit endständigen zweiten Gelenkteilen verbunden ist und die endständigen zweiten Gelenkteile der Verbindungsstäbe mit den ersten Gelenkteilen auf der ersten Gelenkachse und den ersten Gelenkteilen auf der zweiten Gelenkachse die ersten und zweiten Kugelgelenke bilden, und wobei die Verbindungsstäbe zur Stabilisierung der Kugelgelenke miteinander verbunden sind. Bei der Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum handelt sich um eine in der Fachwelt als Roboter mit Parallelkinematik bezeichnete Vorrichtung.
Stand der Technik
Eine auch unter dem Begriff "Delta- Roboter" bekannte Vorrichtung der eingangs genannten Art mit drei Parallelogrammgestängen ist aus WO-A-03/106114 bekannt. Die beiden einem Parallelogramm zugehörigen Verbindungsstäbe aus steifem Material weisen im Bereich der Kugelgelenke paarweise seitlich abragende Zapfen auf. Paar- weise an gegenüberliegenden Seiten der Verbindungsstäbe angeordnete und um die Zapfen gelegte O- Ringe aus gummielastischem Material sind elastisch gespannt. Durch die zwischen den beiden Verbindungsstäben erzeugte Vorspannkraft werden die Gelenkpfannen auf den Kugeln gehalten. Weiter ergibt sich durch die Vorspannung das erforderliche Rückstellmoment, welches ein Verdrehen der Stäbe durch Reibung, dynamische Kräfte sowie Kräfte durch an den Stäben angebrachte Bauteile, wie z.B. Vakuumschläuche, verhindert. Anstelle gummielastischer O-Ringe finden heute auch paarweise angeordnete Federn Verwendung. Ebenfalls bekannt sind aus US-A-6 419 211 nicht paarige Federelemente mit zwei Winkelelementen und zwischen diesen an- geordneter Druckfeder.
Bei Überlast, d.h. wenn die Belastungen an den Gelenken grösser als die Vorspannkräfte werden, koppeln die Gelenke aus, was eine gewollte Sicherheitsfunktion darstellt und ein Zerstören des Roboters verhindert.
Die heute zur Erzeugung einer Vorspannung zwischen den Verbindungsstäben eingesetzten Elastomerelemente sind mit den folgenden Nachteilen behaftet.
Materialbedingte Alterungs- und Ermüdungserscheinungen: Kriechen, Fliessen, Relaxation.
Einsatzbedingte Alterungs- und Ermüdungserscheinungen durch: Reinigungsmedien, UV, Belastungen in den plastischen Festigkeitsbereich hinein, tiefe Umgebungstemperaturen (Sprödigkeit). Eingeschränkte Masshaltigkeit der Vorspannung aufgrund von Materialtoleran- zen.
Primäre Funktion nicht dimensioniert für die Aufnahme von benötigten Rückstellmomenten zur seitlichen Schlauchführung an den Verbindungsstäben. Detektierbarkeit von abfallenden Bestandteilen in zu verfahrende Produkte nicht gewährleistet bei gradueller Zerstörung des Vorspannelements. - Beschränkte Vorhersagemöglichkeit der Lebensdauer aufgrund vorstehend genannter Bedingungen.
Hygieneanforderungen verunmöglichen den Einsatz von herkömmlichen Federelementen wie z.B. Stahlfedern.
Aus US-A-6 516 681 ist ein Roboter mit Parallelkinematik mit vier Parallelogrammge- stängen bekannt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den aus dem Stand der Technik bekannten Vorspannelementen auftretenden Nachteile zu vermeiden.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die aus einem im wesentli- chen elastischen Material bestehenden Verbindungsstäbe über wenigstens ein Vorspannelement aus einem im wesentlichen steifen Material miteinander verbunden sind.
Bevorzugt sind die Verbindungsstäbe über zwei Vorspannelemente miteinander verbunden. Zur Erzeugung einer Vorspannung ist der Abstand der zur Festlegung an den Verbindungsstäben vorgesehenen Verbindungsteile der Vorspannelemente geringer als der Abstand der Verbindungsstäbe in unbelastetem Zustand.
Geeignete elastische Werkstoffe für die Verbindungsstäbe sind beispielsweise Kohlefaser-Material, Stahl oder Aluminium.
Das Vorspannelement weist bevorzugt zwei im wesentlichen streifenförmige und in Abstand gehaltene Halterteile und zwei zwischen den Halterteilen drehbar gelagerte, an den Verbindungsstäben festgelegte Manschetten auf, wobei wenigstens die streifenförmigen Halterteile aus einem steifen Material, insbesondere aus einem steifen Kunststoffmaterial, z.B. aus einem faserverstärkten Thermoplast, gefertigt sind.
Die Manschetten bestehen zweckmässigerweise aus zwei fügbaren, im gefügten Zustand eine Durchführungsöffnung für die Verbindungsstäbe bildende Manschettenteilen und weisen von ihrer Rückseite abragende, in entsprechende Lager in den streifenför- migen Halterteilen einsetzbare Lagerzapfen auf.
Das erfindungsgemässe Vertauschen der elastischen/nicht elastischen Eigenschaften der bei der Erzeugung der Vorspannung zusammenwirkenden Elemente hat im Vergleich zur bisherigen Lösung folgende Vorteile: Vorspannkraft und Federsteifigkeit/Federkonstante des gesamten Spannsystems lässt sich durch die axiale Lage der Klemmen/Manschetten und das definierte Untermass der Abstände der Verbindungsstäbe exakt definieren und erlaubt ein Kalibrieren jedes einzelnen Systems. - Reduzierte Vorspannkraft aufgrund höherer Federsteifigkeit, was zu reduziertem Verschleiss führt.
Höhere Gesamtsteifigkeit und somit besseres Schwingungs- und Dämpfungsverhalten.
Axiales Verdrehen der Verbindungsstäbe in montierter Lage blockiert. - Durch tribologisch optimale Materialpaarungen der auf Reibung beanspruchten
Bauteile werden zusätzliche Lagervorrichtungen obsolet, was zu kostengünstiger Produktion, Montage und Wartung führt. Möglichkeit zur Serienproduktion mittels Spritzguss. Gewährleistung der Materialbeständigkeit in diversen Arbeitsumgebungen.
Die z.B. aus Kohlefaser- Material gefertigten Verbindungsstäbe selbst stellen bereits ein sehr gutes Federelement dar. Da die Vorspannelemente selbst nicht elastisch ausgeführt sind, wird die Vorspannkraft durch eine Durchbiegung der Verbindungsstäbe bestimmt. Durch den gewählten Federweg lässt sich die Vorspannkraft sehr genau defi- nieren. Dabei sind die benötigten Vorspannkräfte und Durchbiegungen im Verhältnis zur Belastbarkeit nur sehr gering, so dass die Verbindungsstäbe die Federkraft auch langfristig nicht verlieren. Weiter können am Vorspannelement Dämpfungselemente angebracht sein, die sich, in Verbindung mit den verspannten Verbindungsstäben, günstig auf das Schwingungsverhalten des Roboters auswirken.
Bevorzugt bestehen die Vorspannelemente aus zwei Klemmen oder Manschetten, die an den Stäben je nach Anforderung einmal in sämtlichen Freiheitsgraden fixiert und einmal gelenkig gelagert bei gleichzeitiger Fixierung in axialer Richtung montiert sind, sowie einem dazwischen liegenden, gegenüber den Klemmen in einem Freiheitsgrad gelenkig gelagerten Zug-/Druckelement. Das Vorspannsystem erfüllt somit die Anforderungen und bleibt mechanisch unterbestimmt.
Die beschriebene Lagerung der Klemmen bzw. Manschetten ermöglicht ein windschiefes Verdrehen der Stäbe gegeneinander, wodurch eine weitere Montageerleichterung herbeigeführt werden kann. Der Vorgang vergrössert den absoluten räumlichen Ab- stand zweier primärer oder sekundärer Kugelgelenkpfannen und kann bei Drehen der Stäbe in parallele Lage wieder rückgängig gemacht werden. Nach erfolgter Montage aller Parallelogramme ist ein windschiefes Verdrehen erst bei Überlast wieder möglich und führt zur Entkopplung.
Werden die beiden Vorspannelemente in geeignetem Abstand angeordnet, so kann ein Verbindungsstab zur Wartung manuell einfach entkoppelt werden, indem die Stäbe in der Mitte zusammengedrückt werden. Der Lastfall der Vorspannelemente wechselt damit von Zug- auf Drucklast. Dadurch „öffnen" sich die Stäbe ausserhalb der Vor- spannelemente und lassen sich von den Gelenken abnehmen. Dies lässt sich mit einer Hand durchführen, während heute die Stäbe mit zwei Händen von den Gelenken „weggerissen" werden müssen.
Die Montage kann auf gleiche Weise erfolgen. Jedoch ist hier ein Hilfselement notwen- dig, das den Parallelogrammwinkel blockiert, da ansonsten das Parallelogramm einfach „zusammenklappt". Dies kann auch durch eine entsprechende Vorrichtung an den Vorspannelementen durch Blockieren der Gelenke erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass, wenn an einer Seite des Parallelogramms eine Überlast an den Gelenken auftritt, auch an der gegenüberliegenden Seite sich die Gelenke etwas öffnen, so dass auch hier erleichtert ein Auskoppeln stattfindet. Damit tritt bei der gewünschten Last das Auskoppeln mit einer höheren Zuverlässigkeit ein.
Die Vorspannelemente können aus geeigneten, gleitmodifizierten Kunststoffen kosten- günstig hergestellt werden, wobei zwei geeignete, unterschiedliche Kunststoffe verwendet werden können, so dass für die Gelenke durch die Wahl der Materialpaarung an den Vorspannelementen keine Lagerschale oder Schmierung notwendig ist.
Im einfachsten Fall kann auch ein Vorspannelement in der Mitte der Stäbe angeordnet werden. Damit gehen aber die Vorteile der einfachen Demontage verloren. Die Stäbe müssen stärker „durchgebogen" werden, was für die Genauigkeit des Roboters negativ ist, und das Verbindungselement muss ein Torsionsmoment quer zu den Stabachsen aufnehmen können, um ein Verdrehen der Verbindungsstäbe in dieser Richtung zu blockieren. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeich- 5 nung; diese zeigt schematisch in
Figur 1 eine Schrägsicht auf einen Delta- Roboter;
Figur 2 eine Schrägsicht auf ein mit zwei Vorspannelementen bestücktes Parallelogrammgestänge des Delta- Roboters von Fig. 1 in vergrösserter Dari o Stellung;
Figur 3 ein Vorspannelement des Parallelogrammgestänges von Fig. 2 in vergrösserter Darstellung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
15
Ein in Figur 1 dargestellter Delta- Roboter 10 weist ein Basiselement 12 mit einer horizontalen Montageebene und drei vom Basiselement 12 abragende Halterungen 14 zur Aufnahme je einer Motor/Getriebeeinheit 16 auf. Auf je einer eine Getriebeachse s definierenden Getriebewelle jeder Motor/Getriebeeinheit 16 sitzt ein um die Getriebeach-
20 se s schwenkbarer Betätigungsarm 18. Die drei Getriebeachsen s liegen in einer Ebene parallel zur Montageebene des Basiselements 12 und ihre Schnittpunkte bilden die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks. Am freien Ende jedes Betätigungsarms 18 ist eine parallel zur Getriebeachse s liegende erste Gelenkachse m definierender erster Gelenkstab 20 festgelegt. Jeder erste Gelenkstab 20 weist an seinen beiden Enden je
25 ein erstes Gelenkteil 22 je eines ersten Kugelgelenks 24 auf. Die paarweise angeordneten ersten Gelenkteile 22 sind bezüglich je einer Vertikalebene spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet, wobei sich die drei Vertikalebenen in einer gemeinsamen, eine Symmetrieachse für die Anordnung der drei Motor/Getriebeeinheiten 18 bildenden Vertikalachse schneiden und untereinander einen Winkel von je 120° einschliessen.
30
Ein im wesentlichen als Platte mit ein gleichseitiges Dreieck bildenden Seitenkanten 28 ausgestaltetes Tragelement 26, auch Werkzeugträger oder Plattform genannt, ist an jeder der drei Seitenkanten 28 mit einem zweiten, eine zweite Gelenkachse n definierenden zweiten Gelenkstab 30 ausgestattet. Jeder zweite Gelenkstab 30 weist an sei-
35 nen beiden Enden je ein erstes Gelenkteil 32 je eines zweiten Kugelgelenks 34 auf. Die paarweise angeordneten ersten Gelenkteile 32 jedes zweiten Gelenkstabs 30 sind bezüglich einer Winkelhalbierenden des das Tragelement 26 charakterisierenden gleichseitigen Dreiecks spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet.
Der Abstand zwischen den ersten Gelenkteilen 22 am freien Ende jedes Betätigungsarms 18 ist identisch mit dem Abstand zwischen den ersten Gelenkteilen 32 an den Seitenkanten 28 des Tragelements 26.
Jedem Betätigungsarm 18 ist eine Seitenkante 28 des Tragelements 26 zugeordnet. Je ein Paar identisch ausgestalteter Verbindungsstäbe 36, 38, auch Parallelogrammstäbe genannt, weisen an ihren Enden ein Endstück 39 mit je einem zweiten Gelenkteil 40, 42 auf. Jedes zweite Gelenkteil 40, 42 bildet mit einem ersten Gelenkteil 22, 32 am freien Ende des Betätigungsarms 18 bzw. an der Seitenkante 28 des Tragelements 26 ein entsprechendes erstes bzw. zweites Kugelgelenk 24, 34.
Die ersten Gelenkteile 22, 32 am freien Ende des Betätigungsarms 18 bzw. an der Seitenkante 28 des Tragelements 26 sind als Gelenkkugeln, die zweiten Gelenkteile 40, 42 an den Endstücken 39 der Verbindungsstäbe 36, 38 als Gelenkpfannen ausgestaltet.
Die beiden gleich langen Verbindungsstäbe 36, 38 bilden zusammen mit den beiden ebenfalls gleich langen Gelenkstäben 20, 30 ein Parallelogrammgestänge 44 mit je einem Kugelgelenk 24, 34 an jedem Eckpunkt des Parallelogramms. Die Verbindung der Betätigungsarme 18 mit dem Tragelement 26 über je ein Parallelogramm- Gestänge 44 verhindert die Rotation des Tragelements 26 um Achsen in allen drei Raumdimensionen. Das Tragelement 26 kann sich demnach nur parallel zu sich selbst in Reaktion auf eine Bewegung der Betätigungsarme 18 bewegen. Die gesteuerte Schwenkbewegung der Betätigungsarme 18 um deren Getriebeachsen s wird demzufolge in eine lineare Bewegung des Tragelements 26 umgewandelt.
Das Tragelement 26 ist mit dem Basiselement 12 über eine teleskopisch in ihrer Länge verstellbare zentrale Welle 46 zur Übertragung von Drehmomenten verbunden. Die zentrale Welle 46 ist über ein Kardangelenk am Tragelement 26 festgelegt. An ihrem dem Tragelement 26 entgegengesetzten Ende ist die zentrale Welle 46 mit einer An- triebswelle eines in der Zeichnung nicht dargestellten Servomotors verbunden. Über die zentrale Welle 46 kann eine Drehung des Tragelements 26 im dreidimensionalen Raum erzeugt werden.
In kurzem Abstand zu den ersten und zweiten Kugelgelenken 24, 36 sind die beiden Verbindungsstäbe 36, 38 über ein im wesentlichen parallel zu den Gelenkachsen m, n liegendes Vorspannelement 48 miteinander verbunden.
Jedes Vorspannelement 48 besteht aus zwei im wesentlichen streifenförmigen Halterteilen 50, 52 mit je einen mittig und senkrecht abragenden Stegteil 54, 56. Die mit ihren Stirnflächen einander anliegenden Stegteile 54, 56 dienen als Abstandshalter für die beiden parallel zueinander liegenden und im Bereich der Stegteile 54, 56 beispielsweise durch Verschrauben oder über eine Clips-Verbindung miteinander lösbar verbundenen Halterteile 50, 52.
Zwischen den streifenförmigen Halterteilen 50, 52 sind zwei symmetrisch und in Abstand zueinander angeordnete Manschetten 62 angeordnet. Jede Manschette 62 besteht aus zwei im gefügten Zustand eine Durchführungsöffnung für die Verbindungsstäbe 36, 38 bildende Manschettenteilen 66, 68, die von ihrer Rückseite abragende, in entsprechende Lager der Halterteile 50, 52 einsetzbare Lagerzapfen aufweisen. Jede Durchführungsöffnung weist eine in einer Ebene senkrecht zur Drehachse e der Lagerzapfen liegende Achse auf.
Bei der Montage der Vorspannelemente 48 zwischen zwei Verbindungsstäben 36, 38 werden um jeden Verbindungsstab zwei eine Manschette 62 bildende Manschettenteile 66, 68 gelegt und miteinander verklebt, verschraubt oder auf andere Weise verbunden.
Hierbei wird eine der Manschetten 62 des Vorspannelements 48 an einem ersten Verbindungsstab 36 z.B. durch Verkleben fixiert. Die andere Manschette 62 ist am zweiten Verbindungsstab 38 nicht fixiert, sondern wird an diesem rotatorisch in zwei Freiheitsgraden lediglich durch den Verbindungsstab 38 eingeschränkt, im dritten Freiheitsgrad uneingeschränkt festgelegt. Anschliessend werden die beiden Manschetten 62 mit ihren Lagerzapfen in die entsprechenden Lager in den streifenförmigen Halterteilen 50, 52 eingesetzt. Nach dem Verschrauben oder Verclipsen der beiden Halterteile 50, 52 bleiben die beiden Manschetten 62 über ihre Lagerzapfen um ihre Drehachse e zwischen den beiden Halterteilen 50, 52 frei drehbar gelagert. Im gezeigten Beispiel ist jeweils an der Innenseite der am Verbindungsstab 36, 38 fixierten Manschette 62 eine schwingungsdämpfende Zwischenlage 69 angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum, mit wenigstens drei mit je einer Motor/Getriebeeinheit (16) verbundenen, um eine Getriebeachse (s) schwenkbaren Betätigungsarmen (18), einem zur Anordnung wenigstens eines Greifmittels zum Greifen des Gegenstandes vorgesehenen Tragelement (26), wobei jeder Betätigungsarm (18) an seinem freien Ende eine parallel zur Getriebeachse (s) liegende erste Gelenkachse (m) mit in Abstand zueinander angeordneten ersten Gelenkteilen (22) je eines ersten Kugelgelenks (24) aufweist, das Tragelement (26) je eine jedem Betätigungsarm zugeordnete zweite Gelenkachse (n) mit in Abstand zueinander angeordneten ersten Gelenkteilen (32) je eines zweiten Kugelgelenks (24) aufweist, die erste Gelenkachse (m) mit der zweiten Gelenkachse (n) über ein Paar Verbindungsstäbe (36, 38) mit endständigen zweiten Gelenkteilen (40, 42) verbunden ist und die endständigen zweiten Gelenkteile (40, 42) der Verbindungsstäbe (36, 38) mit den ersten Gelenkteilen (22) auf der ersten Gelenkachse (m) und den ersten Gelenkteilen (32) auf der zweiten Gelenkachse (n) die ersten und zweiten Kugelgelenke (24, 34) bilden, und wobei die Verbindungsstäbe (36, 38) zur Stabilisierung der Kugelgelenke (24, 34) miteinander verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die aus einem im wesentlichen elastischen Material bestehenden Verbindungsstäbe (36, 38) über wenigstens ein Vorspannelement (48) aus einem im wesentlichen steifen Material miteinander verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstäbe (36, 38) über zwei Vorspannelemente (48) miteinander verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer Vorspannung der Abstand der zur Festlegung an den Verbindungs- Stäben (36, 38) vorgesehenen Verbindungsteile (62) der Vorspannelemente (48) geringer ist als der Abstand der Verbindungsstäbe (36, 38) in unbelastetem Zustand.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannelemente (48) zur Einstellung einer vorgegebenen Vorspannkraft auf den Verbindungsstäben (36, 38) verschiebbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannelemente (48) zur Einstellung eines vorgegebenen Abstandes auf den Verbindungsstäben (36, 38) verschiebbar sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (48) zwei im wesentlichen streifenförmige und in Abstand gehaltene Halterteile (50, 52) und zwei zwischen den Halterteilen (50, 52) drehbar gelagerte, an den Verbindungsstäben (36, 38) festgelegte Manschetten (62) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschetten (62) aus zwei fügbaren, im gefügten Zustand eine Durchführungsöffnung für die Verbindungsstäbe (36, 38) bildende Manschettenteilen (66, 68) bestehen und von ihrer Rückseite abragende, in entsprechende Lager in den streifenförmigen Halterteilen (50, 52) einsetzbare Lagerzapfen aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die streifenförmigen Halterteile (50, 52) aus einem steifen Material, insbesondere aus einem steifen Kunststoffmaterial, gefertigt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (48) ein Dämpfungselement (69) aufweist.
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