DE3601456C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Handgelenkmecha­ nismus für einen Manipulator, zur Lagereinstellung eines Werkzeugs mit drei unabhängigen Drehachsen, wobei ein erstes Paar dieser Achsen einen ersten Schnittpunkt und ein zweites Paar dieser Achsen einen zweiten Schnittpunkt aufweist, der gegenüber dem ersten Schnittpunkt versetzt angeordnet ist, mit einem ersten und zweiten Gehäuseteil, die um eine zugehörige erste bzw. zweite der Drehachsen gelagert sind und einen inneren Gelenkhohlraum bilden, der eine durch­ laufend störungsfreie Durchgangsvorrichtung zur umschließen­ den Aufnahme von zum Werkzeug geführten Leitungen oder dergl. aufweist, mit einem drehbar um die dritte Drehachse gelagerten Werkzeugtragteil, das eine Fläche zur Werkzeug­ befestigung aufweist, und mit Getriebeeinrichtungen zur Erzeugung der Drehbewegung des Werkzeugtragteils und des zweiten Gehäuseteils, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsvorrichtung ein erstes und zweites Führungsteil aufweist, welche zur Drehung mit den zugehörigen ersten bzw. zweiten Gehäuseteil an diesem angebracht sind.

Ein gattungsgemäßer mechanischer Handgelenkmechanismus für einen Manipulator ist aus der Druckschrift EP 0 80 325 A1 bekannt. Dieser mechanische Handgelenkmechanismus für einen Manipulator weist ebenfalls eine durchlaufend störungsfreie Durchgangsvorrichtung zur umschließenden Aufnahme von das Werkzeug betreffenden Vorrichtungen auf. Die Vorrichtung besteht aus einem Arm mit einem an diesem drehbar gelagerten zweiteiligen Schalengelenk, wobei ein erster Teil dieses Schalengelenks über eine hohle, äußere Antriebswelle gedreht wird, und der zweite Teil des Schalengelenks durch eine innere Welle mit einem flexiblen Kupplungsstück in Drehung versetzt wird. Die Vorrichtung zur Aufnahme des Werkzeugs bzw. des Werkzeugträgers ist drehbar in dem zweiten Teil des Schalengelenks gelagert. Diese Vorrichtung wird über eine flexible Hohlwelle, die innerhalb der inneren mit dem flexiblen Kupplungsstück verbundenen Hohlwelle angeordnet ist, angetrieben. Die Hohlwelle ist als Durchgangsvorrich­ tung für Versorgungsleitungen, Stromkabel und dergl. ausge­ bildet und dient zugleich der Antriebsübertragung des Werkzeugtragteils.

Nachteilig bei diesem mechanischen Handgelenkmechanismus ist, daß durch die Ausbildung der Durchgangsvorrichtung als flexible Hohlwelle, die zur Antriebsübertragung verwendet wird, eine präzise Einstellung des Werkzeugtragteils nicht möglich ist.

Ein anderer gattungsgemäßer mechanischer Handgelenkmechanis­ mus ist aus der DE-OS 27 52 236 bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden Gehäuseteile über eine äußere, mittlere und innere Hohlwelle mit Hilfe angetriebener Organe gedreht. Diese Vorrichtung weist weite mittige Öffnungen auf, die zur Aufnahme eines Stromführungskabels zum Werkzeug dienen. Diese Öffnungen besitzen in den Übergangsbereichen der Gehäuseteile Kanten, die das Stromführungskabel oder andere zur Bedienung des Werkzeugs vorgesehene Vorrichtungen bei deren durch die Drehung der Teile bewirkten Bewegung beschädigen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mechani­ schen Handgelenkmechanismus für einen Manipulator zu schaf­ fen, mit dem die Lagereinstellung eines Werkzeuges mit drei unabhängigen Drehachsen möglich ist, der gegenüber gattungs­ gemäßen Vorrichtungen den Vorteil einer hohen Antriebs­ präzision bei gleichzeitiger Beibehaltung der Vorteile der durchlaufenden Durchgangsvorrichtung aufweist, wobei durch die Durchgangsvorrichtung geführte Kabel vor mechanischen Einwirkungen aller Art geschützt sein sollen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Durchgangsvorrichtung ein erstes und zweites Führungsteil aufweist, welche zur Drehung mit dem zugehörigen ersten bzw. zweiten Gehäuseteil an diesen angebracht sind.

Durch die erfindungsgemäßen Führungsteile ist es möglich, Versorgungsleitungen, Stromkabel und dergl. durch den Handgelenkmechanismus dem Werkzeug zuzuführen, ohne daß bei Betätigung des Handgelenkmechanismus die zugeführten Kabel durch Reibung oder scharfe Kanten mechanisch beeinträchtigt werden, oder daß sie gar durch aus dem Getriebe austretendes Schmiermittel oder andere Flüssigkeiten angegriffen werden.

Der mechanische Handgelenkmechanismus ermöglicht zudem durch seine Konstruktion die Verwendung großer Getrieberäder.

Vorzugsweise sind die Führungsteile aus Kunststoff gefertigt und weisen eine glatte Oberfläche auf, auf der Schläuche und Kabel gleiten können.

Ein weiterer Vorzug der Führungsteile ist, daß sie zur Aufnahme des Schmiermittels für die Zahnräder des Gelenk­ mechanismus ausgebildet sind.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Weite eines jeden Hohlraums bei einem Punkt auf dessen dazugehöriger Achse längs der Durchgangsvorrichtung größer ist als ein Drittel der entsprechenden Weite des Gelenkmechanismus bei diesem Punkt.

Die Achsen des ersten Achsenpaares bilden vorzugsweise einen festen Winkel, der größer als 30° ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht und nachfolgend im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Roboters mit einem Gelenkmechanismus, der am freien Ende eines äußeren Arms des Roboters befestigt ist und verschiedene, durch gebrochene Linien darge­ stellte Stellungen des Gelenkmechanismus,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Gelenkmechanismus und

Fig. 3 eine etwas vergrößerte Teilansicht des in Fig. 2 gezeigten Gelenkmechanismus, in der eine zweite Stellung des Gelenkmechanismus gebrochen darge­ stellt ist.

Fig. 1 zeigt einen dreiachsigen Gelenkmechanismus, allgemein mit 10 bezeichnet, der mit einem äußeren Arm 12 eines allgemein mit 14 bezeichneten Roboters verbunden ist. Selbstverständlich kann der Gelenkmechanismus 10 ebenfalls an einem Ausleger oder Tragarm eines anders gearteten Roboters angebracht sein, um ein Gerät für Endbearbeitungs­ zwecke oder ein Werkzeug, wie in Fig. 1 dargestellt, innerhalb einer Arbeitssphäre zu bewegen.

Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist ein Werkzeug 16 am freien Ende des Gelenkmechanismus 10 befestigt. Das Werkzeug 16 kann eine Schweiß-, Farbspritzvorrichtung oder eine andere Vorrichtung umfassen, die für die Herstellung oder End­ bearbeitung eines Produktes zweckmäßig ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt wird, schließt der Gelenkmechanis­ mus 10 ein äußeres Knie oder ein erstes Gehäuseteil 18, ein inneres Knie oder zweites Gehäuseteil 20 und eine Welle oder Werkzeugtragteil 22 ein. Das Werkzeugtragteil 22 weist eine Oberfläche zur Werkzeugbefestigung oder Stirnfläche 23 auf, auf der eine große Vielfalt von Werkzeugen, wie z. B. das Werkzeug 16, leicht befestigt werden kann.

Ein Sicherungsring 24 ist an dem äußeren Knie 18 zwischen dem äußeren Knie 18 und dem inneren Knie 20 angebracht. Auf ähnliche Weise ist ein Sicherungsring 26 an dem inneren Knie 20 zwischen dem inneren Knie 20 und dem Werkzeugtragteil 22 befestigt. Weiterhin ist ein Befestigungsring 28 an dem freien Ende des äußeren Knies 18 vorgesehen, um das Ankoppeln des Gelenkmechanismus′ 10 an den Arm 12 des Roboters 14 zu vereinfachen.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, haben der Befestigungs­ ring 28 und das äußere Knie 18 eine longitudinale Achse 30, um die herum mit Abstand eine Vielzahl von Eingangs- oder Antriebsrohren des Arms 12, die ge­ brochen gezeichnet und mit 32, 34 und 36 gekennzeich­ net sind, angeordnet sind. Der Gelenkmechanismus 10 ist so ausgelegt, daß er einfach an die Antriebsrohre 32, 34 und 36 angeschlossen werden kann. Dazu wird z. B. das innerste Antriebsrohr 32 durch einen An­ triebsstift 38 mit einem Kegelrad 40 verbunden, das drehbar durch Kugellager 42 in dem Gelenkmechanismus 10 gelagert ist. Es ist ein Kugellager 42 gezeigt, das Drehkraftmomente aufnehmen kann. Andererseits kann das Lager 42 auch durch zwei axial voneinander entfernt angeordnete Radiallager ersetzt werden.

Das Antriebsrohr 34 ist auf ähnliche Weise durch ei­ nen Antriebsstift 44 mit einem Zwischenkegelrad 46 verbunden und durch Lager 48 drehbar gelagert. Das äußere Antriebsrohr 36 ist durch einen Haltezapfen 50 mit dem Befestigungsring 28 verbunden. Der Befe­ stigungsring 28 ist seinerseits durch Schrauben 52, von denen nur eine in Fig. 3 gezeigt ist, an dem äußeren Knie 18 befestigt.

Ein zweites Kegelrad, allgemein mit 54 bezeichnet, steht mit dem Kegelrad 40 in Eingriff und dreht sich daher in Reaktion auf eine Drehung des Antriebsrohrs 32. Das Kegelrad 54 schließt ein Paar von Kegelrad­ hälften 56 und 58 ein, die durch ein Gewinde mitein­ ander verbunden sind und die durch Haltezapfen 60, von denen nur eine in Fig. 3 dargestellt ist, gegen­ einander festgelegt sind. Die Kegelradhälften 56 und 58 sind so ausgebildet, daß die Zahnradteile gleich­ förmig sind.

Ebenso sind die Kegelradhälften 56 und 58 durch Lager 62 drehbar gelagert. Die Lager 62 gestatten eine Drehung des inneren Knies 20 um eine zweite longitu­ dinale Achse 63. Die Achsen 30 und 63 schneiden sich in einem Punkt 69, wobei der Schnittwinkel vorzugs­ weise bei 50° liegt.

Die Kegelradhälfte 58 steht mit einem Kegelrad 64, in Eingriff, das seinerseits fest am Werkzeugtragteil 22 durch Schrauben 66, von denen nur eine in Fig. 3 gezeigt ist, angebracht ist. Das Kegelrad 64 und das Werkzeugtragteil 22 sind ebenfalls miteinander ver­ stiftet. Das Kegelrad 64 und das Werkzeugtragteil 22 sind ihrerseits durch Lager 68 drehbar gelagert. Die Lager 68 gestatten eine Drehung des Werkzeugtragteils 22 um eine dritte longitudinale Achse 65. Die Achsen 63 und 65 schneiden sich in einem Punkt 71. Der Punkt 71 ist gegenüber dem Punkt 69 versetzt, um den inneren Krümmungsradius des Gelenkmechanismus, zu vergrößern, die Programmierung des Roboters, an dem der Gelenkmechanismus angebracht ist, zu vereinfachen und die Verwendung von relativ großen Getrieberädern zu ermöglichen. Große Getrieberäder ermöglichen es dem Gelenkmechanismus, eine größere Nutzlast zu führen, ohne die Weite des Durchgangs durch den Gelenkmechanismus zu beeinträchtigen. Der Durchgang ist im folgenden näher beschrieben.

Der Schnittwinkel 77 zwischen den Achsen 63 und 65 ist vorzugsweise gleich dem Winkel 73. Entsprechend ändert sich die Raumrichtung der Achse 65 um einen Winkel 67, der gleich der Summe der Winkel 73 und 77 ist, wenn die Achse 65 sich von der durch eine durchgezogene Linie dargestellten Lage zu der durch eine gebrochene Linie dargestellten Lage in Fig. 3 bewegt. Das Werkzeugtragteil 22 kann von der durchge­ zogen gezeichneten Lage zu der gebrochen gezeichneten Lage in Fig. 3 durch Drehung des inneren Knies 20 um 180° bewegt werden, während die Stellung des äußeren Knies 18 beibehalten wird.

Das Zwischenkegelrad 46 steht mit einem zweiten Zwi­ schenkegelrad 70 im Eingriff. Das Zwischenkegelrad 70 ist durch Lager 72 drehbar gelagert. Das Zwischen­ kegelrad 70 ist mit dem inneren Knie 20 durch Schrau­ ben 74, von denen nur eine in Fig. 3 dargestellt ist, fest verbunden. Der Sicherungsring 26 ist eben­ falls mit dem inneren Knie 20 durch Schrauben 76, von denen nur eine in Fig. 3 dargestellt ist, fest verbunden. Der Sicherungsring 24 ist mit dem äußeren Knie 18 durch Schrauben 78, von denen wiederum nur eine in Fig. 3 dargestellt ist, fest verbunden.

Der Gelenkmechanismus 10 hat einen longitudinalen Durchgang 84, der störungsfrei längs der Achsen 30, 63 und 65 verläuft. Dieser störungsfreie Durchgang kann Schläuche und Drähte und/oder Kabel aufnehmen. Ein erstes Kunststofführungsteil 80 ist innerhalb des Durchgangs 84 angeordnet und fest mit der inneren Oberfläche des äußeren Knies 18 durch Schrauben, von denen nur eine 82 gezeigt ist, verbunden. Ein zweites Kunststofführungsteil 86 ist fest an der inneren Oberfläche des inneren Knies 20 durch Schrauben 88, von denen ebenfalls nur eine gezeigt ist, befestigt. Die inneren Oberflächen der Kunststofführungsteile 80 und 86 tragen zur Bildung des störungsfreien Durch­ gangs 84 durch den Gelenkmechanismus 10 bei. Die Kunststofführungsteile 80 und 86 dienen nicht nur zur Festlegung des Krümmungsradius′ an der Innenseite des Gelenkmechanismus′ sondern ebenfalls zur Aufnahme des Schmiermittels für die Zahnräder des Gelenkmecha­ nismus′ und sorgen für eine glatte Oberfläche, auf der Schläuche und Kabel gleiten können.

Das Werkzeugtragteil 22 ist so ausgebildet, daß es an seiner zur Befestigung dienenden Stirnfläche 23 ein Werkzeug, wie eine Schweiß- oder Farbspritzvorrich­ tung oder eine andere, zur Herstellung und/oder Endbearbeitung eines Produkts zweckmäßige Vorrich­ tung, tragen kann. Mit einem Gewinde versehene Löcher, von denen nur eines 90 gezeigt ist, sind zu diesem Zweck in dem Werkzeugtragteil 22 ausgebildet.

Zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des Sicherungsrings 26 und des Werkzeugtragteils 22 und ebenfalls zwischen dem Sicherungsring 24 und dem Zwischenkegelrad 70 und dem inneren Knie 20 können Dichtungen 92 angeordnet sein. Die Dichtungen 92 verhindern eine Verunreinigung der Lager 68 und 72, wenn der Gelenkmechanismus in einer verunreinigten Umgebung verwendet wird.

Von der in Fig. 3 gezeigten Lage kann die Ober­ fläche 23 zur Werkzeugbefestigung durch Drehung des inneren Knies 20 um 360° gedreht werden. Durch eine geeignete Drehung des inneren Knies 20 kann die Achse 65 wahlweise in einer Sphäre angeordnet werden, die durch zwei äußere Grenzen bestimmt ist, die von der Achse 30 um den Differenzwinkel zwischen den Winkeln 73 und 77 bei einer Extremlage und um den Summenwinkel der Winkel 73 und 77 bei der anderen Extremlage abweichen (d. h. von 0° (parallel zur Achse 30) bis 100°, wie durch den Winkel 67 dargestellt, wenn die beiden Winkel 73 und 77 50° betragen). Innerhalb dieser Sphäre kann die Oberfläche 23 zur Werkzeugbefestigung im wesentlichen um 360° gedreht werden, so daß ein an der Oberfläche 23 angebrachtes Werkzeug in viele verschiedene Stellungen gebracht werden kann.

Der Gelenkmechanismus 10 ist besonders für Roboter geeignet, die zur Durchführung verschiedener Her­ stellungs- und Bearbeitungsprozesse, wie Spritzfärben und Schweißen, gesteuert werden. Der Gelenkmecha­ nismus 10 könnte ebenfalls für eine Einspannvorrich­ tung verwendet werden, mit der ein Bauteil während eines Zusammensetzungsprozesses in Stellung gebracht werden kann.

Die Drehbewegung der Antriebsrohre 32, 34 und 36 kann durch jedes zur Verfügung stehende Dreh-An­ triebsaggregat, wie Elektromotoren, pneumatische oder hydraulische Motoren, erzeugt werden. Bei Be­ darf können die Antriebsrohre 32, 34 und 36 auch ma­ nuell betätigt werden. Es ist offensichtlich, daß die Drehung dieser Antriebsrohre nach einem gewünschten Plan durch Verwendung eines Computers mit einem geeigneten Steuerprogramm für die Drehung gesteuert werden kann. Diese Vorrichtungen seien hier jedoch nur beispielsweise genannt, wobei es aufgrund der obigen Beschreibung offensichtlich ist, daß der Ge­ lenkmechanismus 10 im Rahmen vieler Ausführungsbei­ spiele verwendet werden kann, wo eine Einstellvor­ richtung notwendig ist.

Die oben beschriebene Konstruktion des Gelenkmecha­ nismus′ 10 gestattet einen größeren Krümmungsradius als der, der durch die bekannten Gelenkmechanismen bereitgestellt wird, und erleichtert ebenfalls die Programmierung einer Robotersteuerung, die die Dre­ hung der Eingangs-Antriebswellen steuert. Weiterhin gestattet die Konstruktion die Verwendung größerer Getrieberäder, ohne dabei die Größe des Gelenks oder den störungsfreien Durchgang zu beeinträchtigen. Die größeren Getrieberäder ermöglichen ihrerseits die Führung einer größeren Nutzlast am freien Ende eines Gelenkmechanismus′ einer gegebenen volumetrischen Größe.

Claims (6)

1. Mechanischer Handgelenkmechanismus für einen Manipula­ tor, zur Lageeinstellung eines Werkzeugs, mit drei unabhängigen Drehachsen, wobei ein erstes Paar dieser Achsen einen ersten Schnittpunkt und ein zweites Paar dieser Achsen einen zweiten Schnittpunkt aufweist, der gegenüber dem ersten Schnittpunkt versetzt angeordnet ist, mit einem ersten und zweiten Gehäuseteil, die um eine zugehörige erste bzw. zweite der Drehachsen gelagert sind und einen inneren Gelenkhohlraum bilden, der eine durchlaufend störungsfreie Durchgangsvorrich­ tung zur umschließenden Aufnahme von zum Werkzeug geführten Leitungen oder dergl. aufweist, mit einem drehbar um die dritte Drehachse gelagerten Werkzeugtrag­ teil, das eine Fläche zur Werkzeugbefestigung aufweist, und mit Getriebeeinrichtungen zur Erzeugung der Dreh­ bewegungen des Werkzeugtragteils und des zweiten Ge­ häuseteils, dadurch gekennzeich­ net, daß die Durchgangsvorrichtung (84) ein erstes und zweites Führungsteil (80, 86) aufweist, welche an dem jeweils zugehörigen ersten bzw. zweiten Gehäuse­ teil (18, 19) zur Drehung mit diesen angebracht sind.

2. Mechanischer Handgelenkmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsteile (80, 86) aus Kunststoff gefertigt sind.

3. Mechanischer Handgelenkmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsteile eine glatte Oberfläche aufweisen.

4. Mechanischer Handgelenkmechanismus nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Führungsteile (80, 86) zur Aufnahme des Schmiermittels für die Zahnräder des Gelenkmechanis­ mus ausgebildet sind.

5. Mechanischer Handgelenkmechanismus nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Weite eines jeden Hohlraums bei einem Punkt auf dessen zugehöriger Achse längs der Durchgangs­ vorrichtung (84) größer ist als ein Drittel der entsprechenden Weite des Gelenkmechanismus bei diesem Punkt.

6. Mechanischer Handgelenkmechanismus nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das erste Paar von Drehachsen (30, 63) einen festen Winkel bildet, der größer als 30° ist.