WO2010022892A2 - Manipulator - Google Patents

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WO2010022892A2
WO2010022892A2 PCT/EP2009/006050 EP2009006050W WO2010022892A2 WO 2010022892 A2 WO2010022892 A2 WO 2010022892A2 EP 2009006050 W EP2009006050 W EP 2009006050W WO 2010022892 A2 WO2010022892 A2 WO 2010022892A2
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axis
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load
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WO2010022892A3 (de
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Josef Weinberger
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Esmo Ag
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/104—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with cables, chains or ribbons
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/2851—Testing of integrated circuits [IC]
    • G01R31/2886—Features relating to contacting the IC under test, e.g. probe heads; chucks
    • G01R31/2887—Features relating to contacting the IC under test, e.g. probe heads; chucks involving moving the probe head or the IC under test; docking stations

Definitions

  • the invention relates to a manipulator according to the preambles of the independent claims.
  • a manipulator is known from DE 10 2004 018 474.
  • Manipulators are used to move heavy loads.
  • a field of application is moving heavy test heads for integrated circuits, such as CPUs.
  • the test heads can be very heavy due to complex circuitry. Weights over 500 kg are now considered normal. The use of test heads with weights over 1000 kg is to be expected.
  • the test heads and therefore also the manipulators are often used in clean room. Since area and volume in the clean room are extremely expensive, smallness of the manipulators is desired; - as clean rooms require complicated air ducts whose floors are often stilts and therefore have a limited surface load of for example 500 kg / m 2. If a manipulator together with the test head should be set up as intended, an area of 2 m 2 would already have to be provided for a total weight of, for example, 1 t, which runs counter to the aforementioned requirement for small size; - The test head should be able to be moved by a user. This requires low-friction bearings on axes of rotation and translation things and rotation axis guides through the respective center of gravity passes. Regarding the movement against gravity (vertical), support mechanisms are necessary.
  • One known support mechanism is the provision of counterweights in a vertical cable guide of the test head.
  • the disadvantage is that the same high weight as the test head already has to be provided again for the counterweight. This increases the total weight and, accordingly, the space requirement, which is undesirable especially in expensive cleanrooms. Also, the inertia and thus control problems are getting bigger.
  • Another support mechanism is to provide supportive forces to those of a user through a technical drive (electric motor, hydraulics, pneumatics). In this case, however, the user guidance is still desired, since thereby the positioning and adjustment of the load to be moved (test head) in the desired flexibility and accuracy can be accomplished most easily. This leads to the fact that the supporting force is ultimately less than the sum of weight and
  • Stalling force so that the drive alone does not cause the movement, but if necessary, together with the additional force of the operator can cause the vertical movement of the test head or generally the load.
  • test head on the one hand and test recording of the chip to be measured on the other hand is done in such a way that the rough approximation is caused by ⁇ the operator.
  • Manipulator used as intended. It allows pivoting of the test head about one, preferably two, more preferably three axes of rotation, and also allows its translational movement in two or three spatial axes.
  • Rotary movements are generally not a problem, since when rotating about a vertical axis lifting work is not to be done and the load is held on rotation about • horizontal axes so that the axes of rotation run through the center of gravity of the load, so that in this respect no lifting work to to perform.
  • Even translations along horizontal spatial directions (in this description, x and y direction) require low forces, since only the low frictional force is to be overcome here.
  • technical drives can be provided, for example electric motors.
  • test head As far as the operator moves the load properly, when testing chips, the test head (tester) is manually moved to the correct angular position and orientation so that it is a few inches away from the desired test position. Frequently, this operator-adjusted position is defined, for example, by mechanical stops. Starting from this defined intermediate position, a docking device then takes over the so-called "docking", ie the movement of the test head from the intermediate position to the final measuring position. At this point it is desirable that technical systems do not work against each other, so that in particular the manipulator not vertically undesirable forces in addition to those of the docking facility.
  • the initially mentioned DE 10 2004 018 474 describes a manipulator for a load 1 shown in FIG. 4. It has a stand 8, a receptacle 3 - 5 connected to the stand for the load, the receptacle a movement of the load relative to the stand with respect to at least a first axis z, and a drive 14-16 which assists movement of the load along the first axis.
  • an elasticity device 11-13 is provided, which causes elasticity in the drive train along the first axis.
  • the elasticity device has a mechanical-elastic element 11, which in the
  • Powertrain is lying in the balance of power and allows movements in both directions along the first axis.
  • the drive has a cable 16-18, wherein the elasticity device elastically supports the cable drum 16 of the cable, so that it is elastically displaceable in accordance with the desired elasticity along the first axis.
  • the cable drum is located in a chassis 12 which is pivotally mounted spring-supported about an axis 13 around.
  • the cable drum can thus be a rotary rotational movement with a component of movement in the direction of the first axis.
  • the pivotable chassis has a large footprint, if it is to provide the desired elasticity within a not too small range of motion, for example, to be able to make low sensors.
  • the object of the invention is to provide a driven manipulator, which has elasticity in the drive train and is constructed to save space despite a larger travel.
  • a manipulator for a load has a tripod, a receptacle connected to the stand for the load, wherein the receptacle allows movement of the load relative to the stand relative to at least a first axis, and a drive which supports the movement of the load along the first axis ,
  • an elasticity device is provided, which causes elasticity in the drive train along the first axis. It has a translationally displaceable, elastically mounted frame on which a guide element of the drive is attached.
  • the elasticity device will move only slightly along the possible degree of freedom (preferably vertically), which would be caused by dynamic acceleration forces, because the elastic bearing is statically in equilibrium.
  • the drive instead of carrying the transported load rigidly against the obstacle rather cause a compression of the elasticity device, so that possible collisions have less devastating to no harmful consequences.
  • Systematically, (desired) "collisions" occur during the docking operation of a transported test head, where the elasticity device provides some system softness that can compensate for alignment imperfections.
  • the drive may comprise an electric motor, which is switchable by the switch directly or indirectly via a controller.
  • Fig. 1 is a schematic side view of a
  • Fig. 2 shows a detail of the manipulator in side view
  • Fig. 3 shows the detail of Figure 2 from above
  • Fig. 4 shows a known manipulator.
  • Fig. 1 shows a schematic side view of a manipulator.
  • a tripod 8 suitable size. It has a tower 2, along which a carriage 3 in a first axis (here vertical) can be moved.
  • the tower 2 can be moved in the two horizontal coordinates.
  • the x-coordinate points out of the drawing plane, y to the right and z in the drawing plane to the top.
  • the carriage 3 is thus movable along the z-axis.
  • a drive 17 - 20 which supports the movement of the load along the first axis (z-axis in the embodiment shown).
  • the drive can be mounted on the fixed part of the stand 8 or on the (already translationally preferably horizontally movable) tower 2.
  • the carriage 3 is guided in rails not shown on the tower 2 and is vertically displaceable. It is pulled up by the drive 17-20 or lowered down.
  • the drive has a cable pull with, in particular, a cable or belt or chain 18.
  • the cable 18 passes above a pulley 17 and then down to a mechanism 20 to be described with an elasticity device.
  • 19 symbolizes a controller that controls or regulates in particular the operation of a motor 25.
  • sensors for example position sensors.
  • input options and intervention options can be provided for an operator.
  • an elasticity device In the drive train an elasticity device is provided, which causes the introduced driving force is not rigidly coupled to the load to be moved, but that ultimately there is elasticity between the load and the power source. In the static state, this elasticity device is in equilibrium and will be designed so that no vibrations occur even with dynamic actions.
  • an attenuator may be provided.
  • FIG. 1 shows a part of the drive and the elasticity device as "black box 20.” An embodiment of the same is shown in Figure 2.
  • the drive 17-20 and the elasticity device are located in the tower 8 of the stand and can thus be moved in translation with the tower and the load relative to the fixed part of the stand 2, preferably horizontally (x and / or y direction).
  • FIG. 2 shows a view opposite to the y-direction of FIG. 1.
  • the drive supports the movement of the load in the vertical direction (z-direction). In the shown
  • Embodiment he has a belt drive, in which one or two belts 18a, 18b can be wound or unwound by a drum 27a, 27b. With these belts 18, the carriage 3 is pulled upwards or guided downwards. The up or down
  • Unwinding of the belt 18 can take place via a gear 26 and a motor 25.
  • the belt is guided along a certain path, which extends at least partially vertically in the tower 8.
  • the belt is guided via guide elements, which may have, for example, one or more deflection rollers 17 shown in FIG. 1 or the drum 27 shown in FIG. 2.
  • At least one guide element is elastically mounted.
  • the drum 27 is elastically supported.
  • the elastic mounting takes place in such a way that the guide element 27 is fixed to a frame which is elastically mounted relative to the stand 2 or tower 8.
  • the attachment of the drums on the frame via the gear 26, which is attached via a gear flange 26a on the frame part 24b.
  • Output shafts 26a and 26b drive the drums 27a and 27b.
  • the frame 24 or its individual parts 24a - 24d are translationally displaceable. Preferably, they are displaceable in the longitudinal direction of the tower, ie in the vertical direction (z-direction).
  • the motor 25 may be attached to the frame 24 and a frame part. The motor is fastened to the frame part 24a via a motor flange 25a.
  • the motor shaft 25b is the drive shaft of the transmission 26.
  • motor 25 and gear 26 with respect to the tripod 2 or tower 8 are fixed, in which case only one guide roller is translationally displaceable.
  • Motor 25 and gear 26 may be spaced apart along the first direction (z-direction).
  • the frame 24 may be guided by one or more longitudinal guides 21a, 21b.
  • the guides may extend along the direction of displacement of the frame, that is preferably vertically. In the embodiment shown comparatively solid rods are shown as guides 21.
  • the elasticity can be effected by one or more elastic elements 23a, 23b, preferably springs, in particular coil springs, counteracting the weight of the load.
  • the weight acts on the frame 24 and would, if he is free to move, pull in the direction of the rope / chain / belt 18, in the embodiment shown so vertically upwards. Elastic elements counteract this.
  • the guide element 27 drum or Pulley
  • the springs engage around the guides 21 and are thus concentric with them.
  • the fixed points 23a, 23b may be adjustable in order to adjust the spring preload and to be able to adapt to different loads. You can be adjustable adjustable along the first direction.
  • the compression springs can be comparatively long. Their length can be a significant proportion of the tower height, about at least 25% of the tower height. This results in a relatively long spring travel, so that when responding a relatively large travel or translational path can arise.
  • the frame 24 may shift either because an undesirable operating condition has occurred, such as because the load to be moved has been driven against an obstacle or because of acceleration.
  • the dimensioning of springs, drive and sensors is done so that vibrations are avoided or do not lead to misdetections.
  • the frame may include one or more plates 24a, 24b. If several are provided, they may be spaced apart in the direction of the first direction (z-direction) and connected to each other, such as via connecting members 24c, 24d.
  • the plates 24a, 24b may extend substantially horizontally or extend at right angles to the first direction. If multiple plates are provided, the motor 25 may be flanged to one of the plates 24a and the gear 26 to another flange 24b as shown in FIG. But it can also be provided only a plate 24. The engine and transmission can then be flanged on opposite sides of a plate.
  • FIG. 2 shows upwardly supporting compression springs which push the frame 24 against the upward pulling force down. But there are also tension springs possible, which can attack on the other side (bottom) of the frame to pull this against the attacking force down.
  • the structure described has the advantage that a larger spring travel can be constructed in a space that is present anyway, namely the volume of the tower extending upwards.
  • a lateral swinging of the cable drum supporting chassis was inevitable, so that additional space for
  • the available spring travel in the known embodiment was comparatively short, so that difficulties were encountered in terms of detection.
  • a switch 29 is provided which is actuated by the moving frame 24. It is a digital on / off switch, which is connected to the controller 19, which in turn controlled as the manipulator component, in particular the motor 25.
  • the switch 29 may be an off switch, when actuated, the drive off or even is controlled in the other direction.
  • the switch 29 may be slidable along the displacement path of the frame 24 so that it can detect various positions of the frame according to its setting.
  • a plurality of switches 29 may be provided, preferably at different positions along the displacement path of the frame 24.
  • an analog displacement sensor (not shown) may be provided to guide the path or position of the frame 24 along its possible displacement path Direction z-direction) detected, if necessary, converted to the digital and the controller 19 provides for appropriate measures.
  • Figures 3a and 3b show more or less schematically a plan view of the frame 24.
  • Figures 3a and 3b show a view opposite to the z-direction of Figure 1. From the top is in fig. 3 to see the engine 25, which may be an electric motor or other engine (hydraulic, pneumatic).
  • the plate 24a may have a plurality of recesses, such as holes 31a, 31b for the guides 21a, 21b, and holes or slots 32a, 32b for ropes, chains or belts 18 of the drive.
  • FIG. 3 a shows an embodiment in which the front and rear relationship of the guide and the belt are interchanged with each other on the left and on the right in order to prevent unbalanced force introduction as far as possible.
  • the distribution may also be similar (that is, for example, recesses 32b in Figure 3 would also be above the recess 31b).
  • guides 21 are indicated only schematically in their position with respect to the plate 24a by crosses and dashes. There may be more than two guides 21 provided, such as four guides, which are arranged approximately in the corner regions of the plate 24a. Between each pair (21a and 21d or 21d and 21c) of the guides may each be a rope, belt or chain 18a, 18b lie.
  • the frame 24 or a plate 24a, 24b thereof can occupy a significant part of the cross-sectional area of the tower 2, for example at least 30%. They can be built in this way relatively large, so that for the high forces to be absorbed a stable construction can be built, without that therefore the tower would have to be increased. At the same time results in an adjustable large travel, which allows a relatively accurate adjustment of the switch 29. The detection accuracy is thereby improved.
  • the controller 19 may be non-linear (threshold characteristic, hysteresis characteristic). For example, during normal operation, the controller may only output signals such as forward / reverse / zero to the motor and, in turn, may have force or displacement feedback from the manipulator 1-18.

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Abstract

Ein Manipulator für eine Last hat ein Stativ (2, 8), eine mit dem Stativ (2, 8) verbundenen Aufnahme (3 - 5) für die Last, wobei die Aufnahme (3 - 5) eine Bewegung der Last gegenüber dem Stativ (8) bezüglich mindestens einer ersten Achse (z) erlaubt, einen einen Seilzug oder einen Ketten- oder Riementrieb (18) aufweisenden Antrieb (17 - 20), der die Bewegung der Last längs der ersten Achse (16) unterstützt, und eine längs der ersten Achse (16) wirkenden Elastizitätseinrichtung (11, 19). Die Elastizitätseinrichtung (20) weist einen längs der ersten Achse gegenüber dem Stativ translatorisch verschiebliche und elastisch gehaltenen Rahmen (24) auf, der ein Führungselement (27) des Antriebs trägt.

Description

Manipulator
Die Erfindung betrifft einen Manipulator nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. Ein solcher Manipulator ist aus der DE 10 2004 018 474 bekannt .
Manipulatoren dienen dem Bewegen schwerer Lasten. Ein Einsatzgebiet ist das Bewegen schwerer Testköpfe für integrierte Schaltungen, beispielsweise CPUs. Herstellungsbedingt besteht hier regelmäßig das Interesse, Testköpfe zu ICs hin zu bewegen. Die Testköpfe können aufgrund komplexer Schaltungstechnik ihrerseits sehr schwer sein. Gewichte über 500 kg sind inzwischen als normal anzusehen. Auch der Einsatz von Testköpfen mit Gewichten über 1000 kg ist zu erwarten.
Insbesondere bei der Bewegungen von Testköpfen für integrierte Schaltungen bestehen folgende Bedürfnisse:
- die Bewegung muß spielfrei sein, da die
Ortstoleranzen der Bewegung sehr gering sind; - die Testköpfe und deshalb auch die Manipulatoren kommen häufig im Reinraum zum Einsatz. Da Fläche und Volumen im Reinraum außerordentlich teuer sein, ist Kleinheit der Manipulatoren erwünscht; - da Reinräume komplizierte Luftführungen benötigen, sind deren Böden häufig aufgestelzt und haben deshalb eine begrenzte Flächenlast von beispielsweise 500 kg/m2. Wenn ein Manipulator samt Testkopf bestimmungsgemäß aufgestellt sein soll, wäre bei einem Gesamtgewicht von beispielsweise 1 t schon eine Fläche von 2 m2 vorzusehen, was der vorher genannten Forderung nach Kleinheit entgegenläuft; - der Testkopf soll durch einen Anwender bewegt werden können. Dies erfordert reibungsarme Lagerungen an Drehachsen und Translationsachen und Drehachsenführungen durch die jeweiligen Schwerpunktslagen hindurch. Was die Bewegung gegen die Schwerkraft angeht (vertikal) , sind Unterstützungsmechanismen notwendig .
Ein bekannter Unterstützungsmechanismus ist das Vorsehen von Gegengewichten bei einer vertikalen Seilzugführung des Testkopfs. Nachteil ist, daß das gleiche hohe Gewicht, wie es der Testkopf schon aufweist, nochmals beim Gegengewicht vorzusehen ist. Dadurch steigt das Gesamtgewicht und dementsprechend der Flächenbedarf, was insbesondere in teuren Reinräumen unerwünscht ist. Auch die Massenträgheit und damit regelungstechnische Probleme werden immer größer . Ein weiterer Unterstützungsmechanismus ist, durch einen technischen Antrieb (Elektromotor, Hydraulik, Pneumatik) unterstützende Kräfte zu denjenigen eines Benutzers bereitzustellen. Dabei ist aber nach wie vor die Benutzerführung erwünscht, da sich dadurch das Positionieren und Einstellen der zu bewegenden Last (Testkopf) in gewünschter Flexibilität und Genauigkeit am einfachsten bewerkstelligen läßt. Dies führt dazu, daß die unterstützende Kraft letzendlich geringer ist als die Summe aus Gewichtskraft und
Standreibungskraft, so daß der Antrieb alleine die Bewegung nicht bewirkt, aber gegebenenfalls zusammen mit der zusätzlichen Kraft des Bedieners die vertikale Bewegung des Testkopfs bzw. allgemein der Last hervorrufen kann.
Der Nachteil von technischen Antriebssystemen gegenüber Gewichten ist jedoch, daß unter Umständen das Antriebssystem bedingungslos Antriebskraft zur Verfügung stellt, so daß es zu unerwünschten
Betriebszuständen kommen kann. Beispielsweise ist denkbar, daß versehentlich ein Testkopf auf den Fuß eines Bedieners gesetzt wird und der Antrieb dies mit Kraft nach unten vollzieht, so daß es zu Quetschungen kommen kann. Ein anderes Beispiel ist das Andocken des Testkopfs an die Einrichtung, die den zu testenden Chip hält. Hier ist mechanische Kontaktierung erwünscht. Auch sind vergleichsweise hohe Kontaktkräfte zu überwinden, um federbelastete Kontaktstifte geeignet anzudrücken. Gleichwohl muß die Führung so sein, daß nicht übermäßig hohe Kräfte oder Kräfte zum falschen Zeitpunkt oder an der falschen Stelle aufgebracht werden.
Das Kontaktieren zwischen Testkopf einerseits und Testaufnahme des zu vermessenden Chips andererseits geschieht in der Weise, daß die grobe Annäherung durch ■ den Bediener bewirkt wird. Hierbei wird der
Manipulator bestimmungsgemäß verwendet. Er erlaubt das Schwenken des Testkopfs um eine, vorzugsweise zwei, weiter vorzugsweise drei Drehachsen, und er erlaubt ebenso dessen translatorische Bewegung in zwei oder drei Raumachsen.
Drehbewegungen sind im allgemeinen kein Problem, da bei einer Drehung um eine vertikale Achse Hubarbeit nicht zu verrichten ist und die Last bei Drehung um • horizontale Achsen so gehalten ist, daß die Drehachsen durch den Schwerpunkt der Last laufen, so daß auch insoweit keine Hubarbeit zu verrichten ist. Auch Translationen längs horizontaler Raumrichtungen (in dieser Beschreibung x- und y-Richtung) erfordern geringe Kräfte, da auch hier nur die geringe Reibungskraft zu überwinden ist. Bei Translationen in vertikaler Richtung jedoch ist Hubarbeit zu verrichten bzw. in der Abwärtsbewegung das hohe Gewicht zu halten. Hierfür können technische Antriebe vorgesehen sein, beispielsweise Elektromotoren. Dann kann aber das Problem auftreten, daß beispielsweise bei Fehlbedienungen durch den Benutzer schon Kontakte entstehen, bevor die Last in der gewünschten Position ist, so daß der Antrieb möglicherweise noch schiebt, wenn dies schon längst nicht mehr sein sollte. Zerstörung der Last oder einer Koppelstelle der Last und/oder Verletzungen können die Folge sein.
Soweit der Bediener die Last richtig bewegt, wird beim Testen von Chips der Testkopf (Tester) von Hand in die richtige Winkellage und die richtige Raumlage so weit verbracht, daß er wenige Zentimeter von der gewünschten Testposition entfernt ist. Häufig ist diese bedienereingestellte Position beispielsweise durch mechanische Anschläge definiert. Ausgehend von dieser definierten Zwischenposition übernimmt dann eine Docking-Einrichtung das sogenannte "Docking", also das Verbringen des Testkopfs von der Zwischenposition zur endgültigen Meßposition. An dieser Stelle ist erwünscht, daß technische Systeme nicht gegeneinander arbeiten, daß also insbesondere der Manipulator nicht vertikal unerwünschte Kräfte zusätzlich zu denjenigen der Docking-Einrichtung einbringt.
Die eingangs angesprochene DE 10 2004 018 474 beschreibt einen in Fig. 4 gezeigten Manipulator für eine Last 1. Er hat ein Stativ 8, eine mit dem Stativ verbundene Aufnahme 3 - 5 für die Last, wobei die Aufnahme eine Bewegung der Last gegenüber dem Stativ bezüglich mindestens einer ersten Achse z erlaubt, und einen Antrieb 14 - 16, der die Bewegung der Last längs der ersten Achse unterstützt. Außerdem ist eine Elastizitätseinrichtung 11 - 13 vorgesehen, die längs der ersten Achse Elastizität im Antriebsstrang hervorruft. Die Elastizitätseinrichtung weist ein mechanisch-elastisches Element 11 auf, das im
Antriebsstrang liegend im Kräftegleichgewicht ist und in beide Richtungen längs der ersten Achse Bewegungen zuläßt. Der Antrieb weist einen Seilzug 16 - 18 auf, wobei die Elastizitätseinrichtung die Seiltrommel 16 des Seilzugs elastisch lagert, so daß sie nach Maßgabe der gewünschten Elastizität längs der ersten Achse elastisch verschieblich ist. Die Seiltrommel liegt in einem Chassis 12, das um eine Achse 13 herum verschwenkbar federgestützt gelagert ist. Die Seiltrommel kann so eine rotatorische Drehbewegung mit einer Bewegungskomponente in Richtung der ersten Achse . Nachteil dieses Aufbaus ist, dass das verschwenkbare Chassis einen hohen Platzbedarf aufweist, wenn es die gewünschte Elastizität innerhalb eines nicht zu kleinen Bewegungsspielraums liefern soll, etwa um Sensorik günstig gestalten zu können.
Weiterer relevanter Stand der Technik ist EP 87100158.2, DE 27 42 163, DE 10 2004 026031 und US 6766996.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen angetriebenen Manipulator anzugeben, der Elastizität im Antriebsstrang aufweist und trotz eines größeren Federwegs platzsparend aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Abhängige Patentansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Ein Manipulator für eine Last hat ein Stativ, eine mit dem Stativ verbundene Aufnahme für die Last, wobei die Aufnahme eine Bewegung der Last gegenüber dem Stativ bezüglich mindestens einer ersten Achse erlaubt, und einen Antrieb, der die Bewegung der Last längs der ersten Achse unterstützt. Außerdem ist eine Elastizitätseinrichtung vorgesehen, die längs der ersten Achse Elastizität im Antriebsstrang hervorruft. Sie weist eine translatorisch verschieblichen, elastisch gelagerten Rahmen auf, an dem ein Führungselement des Antriebs befestigt ist.
Die Elastizitätseinrichtung wird sich in der Regel nur geringfügig, längs des möglichen Freiheitsgrades (vorzugsweise vertikal) bewegen, was durch dynamische Beschleunigungskräfte verursacht wäre, weil die elastische Lagerung statischen im Gleichgewicht ist. Bei Kollisionen allerdings wird der Antrieb statt die transportierte Last starr gegen das Hindernis zu führen vielmehr eine Kompression der Elastizitätseinrichtung bewirken, so dass mögliche Kollisionen weniger verheerende bis hin zu keine schädlichen Konsequenzen haben. Systematisch erfolgen (erwünschte) „Kollisionen" während des Dockingvorgangs eines transportierten Testkopfs. Hier bewirkt die Elastizitätseinrichtung eine gewisse Systemweichheit, die üngenauigkeiten in der Ausrichtung ausgleichen kann.
Es kann ein Schalter vorgesehen sein, der durch die Translation des Rahmens betätigbar ist. Der Antrieb kann einen Elektromotor aufweisen, der durch den Schalter direkt oder indirekt über eine Steuerung schaltbar ist. Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines
Manipulators,
Fig. 2 ein Detail des Manipulators in Seitenansicht, Fig. 3 das Detail der Figur 2 von oben, und Fig. 4 einen bekannten Manipulator.
Fig. 1 zeigt in schematischer Seitenansicht einen Manipulator. Auf dem Boden 9 steht ein Stativ 8 geeigneter Größe. Es weist einen Turm 2 auf, längs dessen eine Schlitten 3 in einer ersten Achse (hier vertikal) verfahrbar ist. Der Turm 2 kann in den beiden horizontalen Koordinaten verfahrbar sein. Rechts unten in Fig. 1 ist ein Koordinatensystem angedeutet. Die x-Koordinate zeigt aus der Zeichenebene heraus, y nach rechts und z in der Zeichenebene nach oben. Der Schlitten 3 ist also längs der z-Achse verfahrbar.
1 symbolisiert die Last, die mit dem Manipulator verfahrbar und verschwenkbar sein soll. Ia symbolisiert die Kontakteinrichtung, mit der der Testkopf 1 elektrisch die zu testende Struktur kontaktieren kann. Ib symbolisiert mechanische Führungen bzw. Zentrierungen. Am Schlitten 3 greift ein Zwischenelement 4 an. Zwischen Schlitten 3 und Zwischenelement 4 kann ein Gelenk 3a vorgesehen sein, das eine Drehung um eine vertikale Drehachse (z-Achse) zulässt. Aus dem Zwischenelement 4 ragt ein Arm 5 heraus. Zwischen beiden kann ein Gelenk 4a vorgesehen sein, daß eine Drehung um die y-Achse zuläßt. Der Arm 5 schließlich hält die Last 1 mittels eines Gelenks 5a, das eine Drehung um die x-Achse zuläßt. Auch ein Gelenk mit vertikaler Drehachse (z-Achse) kann vorgesehen sein.
Weiterhin ist ein Antrieb 17 - 20 vorgesehen, der die Bewegung der Last längs der ersten Achse (z-Achse in der gezeigten Ausführungsform) unterstützt. Der Antrieb kann am festen Teil des Stativs 8 oder am (schon translatorisch vorzugsweise horizontal verfahrbaren) Turm 2 angebracht sein.
Der Schlitten 3 wird in nicht gezeigten Schienen am Turm 2 geführt und ist vertikal verschieblich. Er wird vom Antrieb 17-20 nach oben gezogen oder nach unten abgelassen. In der gezeigten Ausführungsform weist der Antrieb einen Seilzug mit insbesondere einem Seil oder Riemen oder Kette 18 auf. Das Seil 18 läuft oben über eine Umlenkrolle 17 und dann nach unten auf einen noch zu beschreibenden Mechanismus 20 mit einer Elastizitätseinrichtung. 19 symbolisiert eine Steuerung, die insbesondere den Betrieb eines Motors 25 steuert bzw. regelt. Es kann Sensorik vorhanden sein, beispielsweise Positionssensorik. Auch können - nicht gezeigte - Eingabemöglichkeiten und Eingriffsmöglichkeiten für eine Bedienperson vorgesehen sein.
Im Antriebsstrang ist eine Elastizitätseinrichtung vorgesehen, die bewirkt, dass die eingeleitete Antriebskraft nicht starr mit der zu bewegenden Last gekoppelt ist, sondern dass letztlich zwischen Last und Kraftquelle Elastizität herrscht. Im statischen Zustand befindet sich diese Elastizitätseinrichtung im Gleichgewicht und wird so ausgelegt sein, dass auch bei dynamischen Aktionen keine Schwingungen auftreten. Gegebenenfalls kann ein Dämpfungsglied vorgesehen sein.
In Figur 1 ist ein Teil des Antriebs sowie die Elastizitätseinrichtung als „black box 20" gekennzeichnet. In Figur 2 ist eine Ausführungsform derselben dargestellt. In der gezeigten Ausführungsform der Figur 2 befindet sich der Antrieb 17 - 20 und die Elastizitätseinrichtung im Turm 8 des Stativs und können somit mit dem Turm und der Last gegenüber dem festen Teil des Stativs 2 translatorisch verfahren werden, vorzugsweise horizontal (x- und/oder y-Richtung) . Figur 2 zeigt eine Ansicht entgegen der y-Richtung der Figur 1.
Der Antrieb unterstützt die Bewegung der Last in die vertikale Richtung (z-Richtung) . In der gezeigten
Ausführungsform weist er einen Riementrieb auf, in dem ein oder zwei Riemen 18a, 18b von einer Trommel 27a, 27b aufgewickelt oder abgewickelt werden können. Mit diesen Riemen 18 wird der Schlitten 3 nach oben gezogen oder nach unten geführt. Das Auf- oder
Abwickeln des Riemens 18 kann über eine Getriebe 26 und einen Motor 25 erfolgen. Der Riemen wird längs eines bestimmten Weges geführt, der zumindest bereichsweise vertikal im Turm 8 verläuft. Der Riemen wird über Führungselemente geführt, die z.B. ein oder mehrere in Figur 1 gezeigte Umlenkrollen 17 aufweisen können oder die in Figur 2 gezeigte Trommel 27. Mindestens ein Führungselement ist elastisch gelagert. Vorzugsweise ist die Trommel 27 elastisch gelagert. Die elastische Lagerung erfolgt in der Weise, dass das Führungselement 27 an einem Rahmen befestigt ist, der gegenüber dem Stativ 2 bzw. Turm 8 elastisch gelagert ist. In Figur 2 ist erfolgt die Befestigung der Trommeln am Rahmen über das Getriebe 26, das über einen Getriebeflansch 26a am Rahmenteil 24b befestigt ist. Abtriebswellen 26a und 26b treiben die Trommeln 27a und 27b an. Der Rahmen 24 bzw. seine einzelnen Teile 24a - 24d sind translatorisch verschieblich. Vorzugsweise sind sie in Längsrichtung des Turms verschieblich, also in vertikaler Richtung (z-Richtung) . Auch der Motor 25 kann am Rahmen 24 bzw. einem Rahmenteil befestigt sein. Der Motor ist über einen Motorflansch 25a am Rahmenteil 24a befestigt. Die Motorwelle 25b ist die Antriebswelle des Getriebes 26.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform können Motor 25 und Getriebe 26 bezüglich des Stativs 2 oder Turms 8 fest liegen, wobei dann nur eine Umlenkrolle translatorisch verschieblich ist. Motor 25 und Getriebe 26 können längs der ersten Richtung (z- Richtung) voneinander beabstandet sein.
Der Rahmen 24 kann von einer oder mehreren Längsführungen 21a, 21b geführt sein. Die Führungen können sich längs der Verschiebungsrichtung des Rahmens erstrecken, also vorzugsweise vertikal. In der gezeigten Ausführungsform sind vergleichsweise massive Stäbe als Führungen 21 gezeigt.
Die Elastizität kann bewirkt werden, indem ein oder mehrere elastische Elemente 23a, 23b, vorzugsweise Federn, insbesondere Schraubenfedern, der Gewichtskraft der Last entgegenwirken. Über das vom Rahmen gehaltene Führungselement 27 (Trommel oder Umlenkrolle) greift die Gewichtskraft auch am Rahmen 24 an und würde diesen, sofern er frei beweglich ist, in Richtung des Seils/Kette/Gurt 18 ziehen, in der gezeigten Ausführungsform also vertikal nach oben. Elastische Elemente wirken dem entgegen. In der
Ausführungsform der Figur 2 sind zwei Druckfedern 22a, 22b gezeigt, die ihre jeweils zwei Widerlager einerseits am Rahmen 24 und andererseits an einem Fixpunkt 23a, 23b des Stativs 2 bzw. des Turms 8 finden. Der turmseitige Fixpunkt 23 ist in Figur 2 nur schematisch angedeutet. Es handelt sich hier um geeignete stabile Anlagen.
Vorzugsweise greifen die Federn um die Führungen 21 herum und sind also konzentrisch zu ihnen.
Die Fixpunkte 23a, 23b können einstellbar sein, um die Federvorspannung einstellen zu können und an unterschiedliche Lasten anpassen zu können. Sie können längs der ersten Richtung einstellbar festlegbar sein.
Die Druckfedern können vergleichsweise lang sein. Ihre Länge kann einen merklichen Anteil der Turmhöhe betragen, etwa mindestens 25% der Turmhöhe. Es ergibt sich auf diese Weise ein relativ langer Federweg, so dass beim Ansprechen ein relativ großer Federweg bzw. Translationsweg entstehen kann. Der Rahmen 24 kann sich entweder verschieben, weil ein unerwünschter Betriebszustand eingetreten ist, etwa weil die zu bewegende Last gegen ein Hindernis gefahren wurde, oder weil Beschleunigungsvorgänge auftreten. Die Dimensionierung von Federn, Antrieb und Sensorik erfolgt so, dass Schwingungen vermieden werden bzw. nicht zu Fehldetektionen führen.
Der Rahmen kann eine oder mehrere Platten 24a, 24b aufweisen. Wenn mehrere vorgesehen sind, können sie in Richtung der ersten Richtung (z-Richtung) beabstandet sein und miteinander verbunden sein, etwa über Verbindungsbauteile 24c, 24d. Die Platten 24a, 24b können im Wesentlichen horizontal verlaufen bzw. sich rechtwinklig zur ersten Richtung erstrecken. Wenn mehrere Platten vorgesehen sind, kann der Motor 25 an einer 24a der Platten und das Getriebe 26 an einer anderen 24b der Platten angeflanscht sein, wie in Figur 2 gezeigt. Es kann aber auch nur eine Platte 24 vorgesehen sein. Motor und Getriebe können dann an gegenüberliegenden Seiten der einen Platte angeflanscht sein.
Das Vorsehen zweier Platten hat den Vorteil, dass Verkantungen des Rahmens gegenüber seinen Führungen vermieden werden. Für diesen Zweck kann statt einer zweiten Platte aber auch lediglich ein in Richtung der Führungen beabstandetes weiteres Führungselement vorgesehen sein, dass nochmals an der Führung anliegt, eben um Verkantungen zu vermeiden.
Die Ausführungsform der Figur 2 zeigt sich oben abstützende Druckfedern, die den Rahmen 24 entgegen der nach oben wirkenden Zugkraft nach unten drücken. Es sind aber auch Zugfedern möglich, die an der anderen Seite (unten) des Rahmens angreifen können um diesen entgegen der angreifenden Kraft nach unten ziehen.
Gegenüber der bekannten Manipulatorkonstruktion hat der beschriebene Aufbau den Vorteil, dass ein größerer Federweg in einem Raum konstruiert werden kann, der sowieso vorhanden ist, nämlich das Volumen des sich nach oben erstreckenden Turms. Bei der drehelastischen Lagerung, wie sie in der bekannten Ausführungsform beschrieben ist, war dagegen ein seitliches Ausschwenken des die Seiltrommel tragenden Chassis unvermeidlich, so dass zusätzlicher Raum zur
Ermöglichung dieser Bewegung bereitgestellt werden musste und der über dem Chassis liegende Luftraum im Turm nicht genutzt wurde. Darüber hinaus war der zur Verfügung stehende Federweg in der bekannten Ausführungsform vergleichsweise kurz, so dass hinsichtlich der Detektion Schwierigkeiten auftraten. Es ist ein Schalter 29 vorgesehen, der vom sich bewegenden Rahmen 24 betätigbar ist. Es handelt sich um einen digitalen An-/Ausschalter, der mit der Steuerung 19 verbunden ist, die ihrerseits wie der Manipulatorkomponent gesteuert, insbesondere auch den Motor 25. Der Schalter 29 kann ein Aus-Schalter sein, bei dessen Betätigung der Antrieb abgeschaltet oder sogar in die andere Richtung gesteuert wird. Der vergleichsweise lange Federweg ermöglicht das Vorsehen eines Schalters 29. Bei kürzeren Federwegen, wie sie insbesondere in der bekannten Ausführungsform vorlagen, ist dies schwierig, da eben wegen der kurzen Wege ein Schalter 29 nicht fein genug justiert werden kann. Der Schalter 29 kann längs des Verschiebungswegs des Rahmens 24 verschieblich sein, so dass er verschiedene Positionen des Rahmens je nach seiner Einstellung detektieren kann.
Es können mehrere Schalter 29 vorgesehen sein, vorzugsweise an unterschiedlichen Positionen längs des Verschiebungswegs des Rahmens 24. Zusätzlich oder stattdessen kann auch ein (nicht gezeigter) analoger Wegsensor vorgesehen sein, der dem Weg bzw. die Position des Rahmens 24 längs seines möglichen Verschiebungswegs (erste Richtung z-Richtung) erfasst, gegebenenfalls ins Digitale wandelt und der Steuerung 19 für geeignete Maßnahmen zur Verfügung stellt. Figuren 3a und 3b zeigen mehr oder minder schematisch eine Draufsicht auf den Rahmen 24. Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Ansicht entgegen der z-Richtung der Figur 1. Von oben ist in fig. 3 der Motor 25 zu sehen, bei dem es sich um einen Elektromotor oder einen sonstigen Motor (hydraulisch, pneumatisch) handeln kann. Die Platte 24a kann mehrere Ausnehmungen aufweisen, etwa Löcher 31a, 31b für die Führungen 21a, 21b, und Löcher oder Schlitze 32a, 32b für Seile, Ketten oder Riemen 18 des Antriebs.
Figur 3a zeigt eine Ausführungsform, bei der links und rechts die Vorne-/Hinten-Beziehung von Führung und Riemen gegeneinander vertauscht sind, um unsymmetrische Krafteinleitung weitestmöglich zu verhindern. Je nach Konstruktion kann die Verteilung aber auch gleichartig sein (also dass z.B. Ausnehmungen 32b in Figur 3 auch oberhalb der Ausnehmung 31b wäre) . Weiterhin ist es denkbar, die Riemen, Seile oder Ketten 18 vollständig außerhalb der Platte 24a zu führen.
In der Ausführungsform der Figur 3b sind Führungen 21 lediglich schematisch in ihrer Position bzgl. der Platte 24a durch Kreuze und Striche angedeutet. Es können mehr als zwei Führungen 21 vorgesehen sein, etwa vier Führungen, die in etwa in den Eckbereichen der Platte 24a angeordnet sind. Zwischen je einem Paar (21a und 21d bzw. 21d und 21c) der Führungen kann je ein Seil, Riemen oder Kette 18a, 18b liegen.
Der Rahmen 24 bzw. eine Platte 24a, 24b desselben können einen merklichen Teil der Querschnittsfläche des Turms 2 einnehmen, etwa mindestens 30%. Sie können auf diese Weise relativ groß gebaut werden, so dass für die aufzunehmenden hohen Kräfte eine stabile Konstruktion gebaut werden kann, ohne dass deswegen der Turm vergrößert werden müsste. Gleichzeitig ergibt sich ein einstellbar großer Federweg, der eine vergleichsweise genaue Justierung des Schalters 29 erlaubt. Die Detektionsgenauigkeit wird dadurch verbessert.
Der Regler 19 kann nicht-linear sein (Schwellenwert- Charakteristik, Hysteresischarakteristik) . Der Regler kann beispielsweise im normalen Betrieb lediglich Signale wie vorwärts/rückwärts/Null an den Motor ausgeben und kann seinerseits eine Kraft- oder Weg- Rückkopplung vom Manipulator 1-18 her haben.
Nachfolgend optional einige technische Daten:
Nennlast > 500 kg, vorzugsweise > 1000 kg
Federkonstante > 5 kN/m, vorzugsweise > 10 kN/m,
< 100 kN/m, vorzugsweise < 50 kN/m Dockingweg > 1 cm, vorzugsweise > 2 cm,
< 10 cm max. Dockinkraft > 100 N, vorzugsweise > 200 N
< 5.000 N, vorzugsweise < 2.000 N

Claims

Patentansprüche
1. Manipulator für eine Last, mit
- einem Stativ (2, 8),
einer mit dem Stativ (2, 8) verbundenen Aufnahme (3 - 5) für die Last, wobei die Aufnahme (3 - 5) eine Bewegung der Last gegenüber dem Stativ (8) bezüglich mindestens einer ersten Achse (z) erlaubt,
einem einen Seilzug oder einen Ketten- oder Riementrieb (18) aufweisenden Antrieb (17 - 20), der die Bewegung der Last längs der ersten Achse (16) unterstützt, und
einer längs der ersten Achse (16) wirkenden Elastizitätseinrichtung (11, 19),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Elastizitätseinrichtung (20) einen längs der ersten Achse gegenüber dem Stativ translatorisch verschiebliche und elastisch gehaltenen Rahmen (24) aufweist, der ein Führungselement (27) des Antriebs trägt.
2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement eine Trommel oder eine Umlenkrolle ist oder aufweist.
3. Manipulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb einen Motor (25) aufweist, der am Stativ oder am Rahmen (24) befestigt ist.
4. Manipulator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein, zwei oder mehrere sich längs der ersten Achse erstreckenden Führungen (21a, b) , längs derer der Rahmen geführt ist.
5. Manipulator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (24) zwei längs der ersten Achse beabstandete, miteinander verbundene Platten (24a, b) aufweist, die beide von sich längs der ersten Achse erstreckenden Führungen (21a, b) geführt sein können.
6. Manipulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (25) an einer (24a) der Platten und ein Getriebe (26) an der anderen (24b) der Platten befestigt ist.
7. Manipulator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei oder mehr parallele Seilzüge oder Ketten- oder Riementriebe (13 - 18) .
8. Manipulator nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch vier Führungen (21a-d) , wobei zwischen je zwei von ihnen ein Seil oder Riemen oder Kette (18a, b) läuft.
9. Manipulator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schalter, der vom Rahmen (24) auf dessen möglichen Translationsweg betätigbar ist.
10. Manipulator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kraft- oder Wegsensor und einer Steuerung oder Regelung (19) , die das Sensorsignal empfängt und den Antrieb steuert bzw. regelt.
11. Manipulator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb einen Elektromotor (25) aufweist.
12. Manipulator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine hydraulische und/oder pneumatische Einrichtung aufweist.
13. Manipulator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Achse (z) die vertikale Achse ist.
14. Manipulator nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (3 - 5) eine Bewegung der Last gegenüber dem Stativ (8) bezüglich mehrerer Achsen (x, y, z) erlaubt, insbesondere mehrere Translations- und/oder Rotationsachsen.
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