DE1481819A1

DE1481819A1 - Telemanipulator

Info

Publication number: DE1481819A1
Application number: DE19661481819
Authority: DE
Inventors: Georges Gagliardi; Claude Mettetal
Original assignee: SIERSATOM
Current assignee: SIERSATOM
Priority date: 1965-10-06
Filing date: 1966-10-06
Publication date: 1969-10-23
Also published as: GB1111039A; BE687062A; DE1481819B2; NL6613577A; FR1459250A; LU52089A1; DE1481819C3

Description

Dtpl.-Ing. R. Cc-2tz u. .

Dipl.-Ing. Lomprocht ι / ο ι ο ι

410-11.812P-DfE (5) P 14 81 819.0 28.I.I969

Neue Beschreibung

Telemanipulator

Die Erfindung betrifft einen Telemanipulator mit einem beweglichen Träger, einem Arbeitsorgan und beide gelenkig miteinander verbindenden Zwischengliedern, von denen jedes Antriebs- und Kraftübertragungsorgan einschließlich einer von außen betätigbaren drehmomentbegrenzenden Trennkupplung mit einstellbarer Schwelle zur Bewegung der ihm im Zuge der Kraftübertragung von dem Träger auf das Arbeitsorgan jeweils folgenden Manipulatorglieder enthält.

Telemanipulatoren dieser Art sind in den deutschen Patentschriften 1 148 721 und 1 164 057 beschrieben, und auch in der deutschen Patentschrift 1 138 907 und den USA-Patentschriften 2 858 947, 2 861 700 und 5 043 .448 werden ähnliche Manipulatoren behandelt, deren Glieder allerdings keine Trennkupplungen oder sonstige Einrichtungen enthalten, mit deren Hilfe eine Drehmomentbegrenzung im Zuge der Kraftübertragung vorgenommen werden könnte.

Alle diese bekannten Telemanipulatoren weisen jedoch insofern einen schweren Mangel auf, als bei ihnen Anzahl

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und Art der zwischen dem beweglichen Träger und dem Arbeitsorgan liegenden Zwischenglieder fest vorgegeben sind und sich nur durch eine völlige Umkonstruktion des gesamten Manipulators verändern lassen.

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Eine derartige Unbeweglichkeit in der Auswahl und Ausgestaltung der Zwischenglieder ist aber beim praktischen Einsatz eines Manipulators in höchstem Maße unerwünscht, da sie eine rasche Anpassung an wechselnde Arbeitsbedingungen praktisch ausschließt und daher immer dann, wenn nacheinander beim Arbeiten mit Manipulatoren große Kräfte bei geringer Wendigkeit und große Wendigkeit bei kleinen Kräften verlangt werden, den Einsatz eines anderen Manipulators für jeden dieser Anwendungsfälle notwendig macht.

Ausgehend von diesem bekannten Stande der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Telemanipulator anzugeben, bei dem ein rascher Wechsel der Zwischenglieder möglich ist, der also einen raschen Austausch eines oder mehrerer Zwischenglieder bzw. ihre Ergänzung durch beliebig viele weitere Zwischenglieder zuläßt und damit rasch nacheinander die Erzielung von einerseits großer Wendigkeit mit Hilfe vieler und feiner Zwischenglieder und andererseits großer Kraft mit Hilfe weniger und starker Zwischenglieder, also an rasche Anpassung an alle denkbaren Arbeitsbedingungen gestattet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Telemanipulator· der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zwischenglieder standardisierte Gelenke für ihre Einfügung in den Zug der Kraftübertragung aufweisen, mittels deren sie sich aneinander ansetzen bzw. gegeneinander austauschen lassen.

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Zur näheren.Erläuterung der Erfindung und der erzielbaren teohnieohen Vorteile wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein AuefUhrungsbeieplel mit einer Variante be-8ohr!eben.

In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen

Telemanipulators mit nur einem Zwischenglied;

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Telemanipulator nach Fig; Ij

Fig. 3 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Telemanipulators mit zwei Zwischengliedern;

Fig. 4 eine Aufsicht auf den Telemanipulator nach Fig. 3;

Fig. 5 eine teilweise aufgebrochene Aufsicht auf ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Zwischenglied;

Flg. 6 einen Schnitt längs der gebrochenen Schnittlinie a-a der Fig. 5;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung der Teile eines i zwei Zwischenglieder verbindenden Kuppelgelenks.

Die Telemanipulatoren nach den Fig. 1 und 2 tragen Jeweils eine Handhabungszange J> als Arbeitsorgan; mit Hilfe dieser Zange sollen im Inneren einer nioht dargestellten Zelle unterschiedliche Arbeiten oder Transporte durchgeführt werden· Die an einem Handstück 5 angeordnete Zange 3 kann pneumatisch geschlossen werden; das Offnen der Zange JJ erfolgt durch eine Feder. Die Zange 3 läßt sich um die Achse ihres Handstückes 5 ,?. unbegrenzt in beiden Richtungen drehen; hierzu dient ein Motor 7, der in dem rückwärtigen Teil des Handstückes 5 ange-

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ordnet ist. Das Handstück 5 ist an seinem hinteren Ende an ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Zwischenglied 9 angelenkt. Das zugehörige Kuppelgelenk, daß weiter unten in seinen Einzelheiten beschrieben wird, ist durch einen dichten Balgen 11 abgedeckt. Schwenkbewegungen des Handstückes 5 gegenüber dem Zwischenglied 9 werden mittels eines Motors 15 durchgeführt. Ein zweiter, nicht dargestellter Motor kann eine Drehung des vorderen Endteiles 15 des Zwischengliedes 9 φ um dessen Achse durchführen und so die Möglichkeiten für Schwenk- und Auslenkbewegungen dee HandstUckes 5 gegenüber dem Zwischenglied 9 im Räume vervielfachen; derartige Schwenkstellungen sind für Vertikalbewegungen in Pig. 1 und für Horizontalbewegungen in Fig. 2 mit strichpunktierten Linien veranschaulicht.

Das Zwischenglied 9 ist um eine horizontale Achse 17 einer Gabelhalterung 19 schwenkbar; ein Motor 21 dient zur Durchführung der Schwenkbewegungen um diese Achse 17· Die Halterung 19 ist am unteren Ende eines Teleskop-Rohres 25 angebaut und kann um die Achse dieses Rohres mit einer unbegrenzten Drehbewegung in beiden Richtungen gedreht werden; hierzu ™ dient ein Antriebsmotor 25. Der obere Teil 27 des Teleskop-Rohres 23 kann entweder an der Unterseite eines einem in einer horizontalen Ebene an der Decke der Zelle verfahrbaren Wagen sitzen, oder an einem galgenartigen Krangerüst, das sich seitlich längs einer Wand der Zille bewegt.

In Fig. 3 und 4 ist ebenfalls ein erfindungsgemäß ausgebildeter Telemanipulator dargestellt, dessen grundsätzliche Konstruktion der nach den Fig. 1 und 2 entspricht, der jedoch zwischen dem Handstück 5 und der Halterung I9 zwei Zwischen-

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glieder 9 enthält. Diese beiden Zwischenglieder machen es j möglich, das Arbeitsfeld der Zange 3 wesentlich zu vergrößern, was aus den unterschiedlichen, strichpunktiert dargestellten möglichen Arbeitsstellungen der Zange 3 ersichtlich ist. Jedes der Zwischenglieder 9 enthält selbstverständlich einen Motor IjJ, der die Schwenkbewegung des jeweils folgenden Zwischengliedes bzw. des Handstückes 5 durchführt.

In den Pig. 2 und 4 sieht man auch Entriegelungeknöpfe 29, die es gestatten, nach ihrem Herausziehen mit Hilfe eines in der Zelle vorgesehenen beliebigen Eingrifforgans (nicht dargestellt) durch eine anschließende Drehung den vorderen Teil der kinematischen Kette desjenigen Gliedes, an dem die ' Druckknöpfe vorgesehen sind, von dem hinteren Teil der kinematischen Kette zu trennen. Diese Eritriegelungsknöpfe ge- i statten es, im Falle einer Störung eines der Motoren IJ oder ! 21 jedes Zwischenglied 9 oder das Handstück 5 gegenüber dem vorangehenden Manipulatorglied frei beweglich zu machen, damit beispielsweise sämtliche Glieder des Manipulators in die ^; Achse des Teleskop-Rohres 23 geschwenkt werden können und der ganze Manipulator durch eine Zugangsöffnung mit relativ ge- j f ringen Abmessungen in der Decke der Zelle herausgezogen wer- ! den kann.

Unter Bezugnahme auf die Pig. 5 und 6 wird nun öin Zwischenglied, wie das Glied 9 in Pig. I und 4, genauer beschrieben.

Das "Gehäuse" des Zwischengliedes umfaßt zwischen einer hinteren Scheibe Jl und einer vorderen Scheibe Zö zwei Ver-

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bindungsplatten 35 und 37, die als Lagerplatten für die Elemente der kinematischen Kette dienen. Auf der hinteren Scheibe 31 ist eine topfartige Aufnahme 39 befestigt, in der der Motor 13 duroh Schrauben, wie 4l, festgeschraubt ist. Die topfartige Aufnahme 39 ist an ihrem offenen Ende durch eine dritte Scheibe 43 abgeschlossen, an der ein Augenvorsprung 45 mit zueinander parallelen Seitenflächen sitzt, der eine Querbohrung 47 aufweist. Ein sich auf die seitlichen Ränder der Scheiben 31> 33 und 43 sowie auf die Platten 35 und 37 abstützender Rohrmantel 49 bildet die äußere Hülle des Standard-Armgliedes. Der zylindrische Mantel 49, der aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt sein kann, läßt sich überdies in Richtung der Achse des Armgliedes derart verschieben, daß ein Zugang zur kinematischen Kette oder zum Motor 13 möglich ist.

An der vorder- oder zangenseitigen Seheibe 33 ist eine Oelenklagergabel mit zwei Gabelschenkeln 51 und 53 angebracht, zwischen die Schenkel 5* und 53 greift der Vorsprung 45a des folgenden Zwischengliedes oder des Handstückes ein. Die zusammen eine Gabel bildenden Schenkel 51 und 53 haben konzentrisohe Bohrungen 55 und 57* in deren Verlängerung die Bohrung 47a des Vorsprungs 45a gebracht wird. In die Bohrung 47a ist eine Buchse 59a eingesetzt, die starr mit einem Zahnrad 6la verbunden ist, das seinerseits an dem Vorsprung 45a durch Halteschrauben 63a festgelegt ist. Ein Gelenkzapfen 65 mit einem festen Kopf 67 kann durch die Bohrungen 55 und 57 sowie durch die Buchse 59 bzw. die Nabe des Zahnrades 6la hindurchgesteckt werden; sein freies Ende ragt aus dem Gabelschenkel 53 ait einem Kopfteil 69 heraus, der eine Umfangsnut 71 ent-

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hält, In die ein um die Achse 75 schwenkbarer Riegel 73 eingreifen kann, der sich über den Griffstift 77 mit Hilfe irgendeines in der Zelle vorgesehenen Handhabungsorgans betätigen IKSt.

Da die Schließbewegung der Zange 3 (Pig· 1 bis 4) pneumatisch erfolgt, raue eine Druckluftleitung durch Jedes der Zwischenglieder 9 hindurchführen. In der Fig. 6 sieht man einen Kanal 79« der aus der Lagerbohrung des Vorsprungs 45 in die vorderste Soheibe 43 gebohrt ist und dessen radial abgewinkelter Abschnitt in einen in die Wand der Aufnahme 39 gebohrten Längekanal 8l übergeht, an den sich ein Kupferrohr anschließt, das zu einem weiteren Kanal 85 in der an der anderen Seite liegenden Scheibe 33 führt; dieser Kanal 85 geht in den Lagerschenkel 53 iⁿ Längsrichtung hinein und mündet in der Lagerbohrung 57 dieses Schenkels. Er trifft hier auf einen diametral verlaufenden Abschnitt eines Verbindungskanals 87 im Inneren des Zapfens 65, dessen andere Querbohrung den Anschluß mit der im Vorsprung 45a des anschließenden Zwischengliedes vorgesehenen Kanal 79^a herstellt. Nicht dargestellte Ringdichtungen in ausreichender Anzahl und Anordnung gewährleisten eine einwandfreie Abdichtung der Druckluft führung innerhalb des Zapfens 65.

Der Motor 13 treibt über ein konisches Ritzel 89 ein Kegelzahnrad 9J an, das fest auf einer Querwelle 93 sitzt. Ein zwischen dem Kegelzahnrad 91 einerseits den Tellerfedern 97 in genügender Anzahl und einer Spannmutter 99 durch Reibungsschluß festgehaltenes geradverzahntes, auf der Welle 93 drehbares Ritzel 95 bildet mit den genannten Reibelementen eine Überlast-Reibungskupplung zur Begrenzung des in der

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kinetischen Kette zu übertragenden Drehmoments. Die Querwelle 93 ist in Kugellagern 101 und 103 innerhalb der beiden Platten 35 und 37 reibungsarm drehgelagert ._c Das Ritzel 95 greift in ein Stirnzahnrad 105 ein, das starr mit einem gleichachsigen Ritzel 107 verbunden ist; Zahnrad und Ritzel sitzen auf der ihnen gemeinsamen Welle 109. Auf dem über das Ritzel 107 heraus· φ ragenden Ende 111 der Welle 109 ist ein haubenartiger Schwenkkörper 113 geführt, der um die Welle 109 gedreht werden kann und seinerseits drehfest mit einem zweiten haubenartigen Scheibenkörper 115 verbunden ist. Dieser haubenartige Scheibenkörper 115 ist mit einem Schalt- oder Betätigungsknopf 117 ver- · sehen, mittels dessen der Scheibenkörper 115 sich in Richtung der Achse der Welle IO9 aus dem Armglied etwas herausziehen läßt. Normalerweise wird der scheibenartige Haubenkörper 115 durch eine Feder 119 auf die Platte 35 aufgedrückt, an der ein Federgehäuse 121 befestigt ist. Ein an dem Scheibenbauteil 115 sitzender Verriegelungsstift 123 greift in der normalen Betriebsstellung in ein Loch 125 der Platte 35 ein.

w Diese Anordnung macht es möglich, durch ein Herausziehen und nacnfolgendes Drehen des Knopfes 117 aus der kinematischen Kette das Zwischen- oder Übertragungszahnrad 127 herauszuschwenken bzw. "auszurücken", das auf einem in dem Schwenkkörper 113 sitzenden Achssturnmel 129 gelagert ist. Dieses Zwischenrad Vr. 7 greift in seiner normalen Betriebsstellung einerseits in das Ritzel 107 und andererseits in das Zahnrad 131 ein. Nach Lesen der Verriegelung durch den Stift 3 Γ 3 (beim Heraus-riehen des Knopfes 117) läßt sich das Zwischen zahnrad 117 aus dem Zahnrad 131 herausschwer.ken, wobei es mit dem Ritzel 107 im Eingriff bleibt. Die Welle 133 des Zahn-

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rades 131 trägt außerdem ein weiteres Ritzel 135, das in den Verzahnungskranz 137 einer Welle 139 eingreift. Der Verzahnungskranz 137 dieser Welle ragt in eine Ausnehmung der Scheibe 33 hinein, in der er aus dem Raum zwischen den beiden Gabelschenkeln 51 und 53 zugänglich ist; der Verzahnungskranz überträgt die Antriebsbewegung von dem Motor 13 an das Zahnrad 6la, und damit an das folgende Zwischenglied oder das Handstück der Zange, in Form einer Schwenkbewegung des Zwischengliedes oder Handstückes um die Achse des Kuppelgelenkzapfens 65·

Wie man aus der Fig. 5 erkennt, sind beiderseits des Vorsprungs 45 Anschlagstücke l4l und 143 vorgesehen, die mit Schrauben 145 angeschraubt sind. Diese Anschlagstücke gestatten es, die SchwenKbewegung des Zwischengliedes gegenüber dem vorangehenden Zwischenglied zu begrenzen und auch einen der beiden elektrischen Schalter 147 oder 149 zu öffnen, wodurch die Speisung des Motors 13 des vorangehenden Manipulatorgliedes unterbrochen wird.

In der schaubildlichen Darstellung der Fig. 7 ist ein Kuppelgelenk in auseinander genommenem Zustand dargestellt. Das trägerseitige Zwischenglied 9 ist hier entsprechend einer Variante der Erfindung mit einem um seine Längsachse drehbaren Endteil 15 ausgeführt. An diesem Endteil sitzen die beiden Gabelschenkel 51 und 53 mit ihren fluchtenden Bohrungen 55 und 57. Zwischen den Schenkeln 51 und 53 ist die Kranzverzahnung 137 zu sehen, über welche dem folgenden Zwischenglied oder dem Handstück eine Drehbewegung um die Achse 151 der drei Bohrungen 55, 57 und damit des Gelenkzapfens 65 mitgeteilt wird. Das folgende Zwischenglied 9a hat den Vorsprung 45a mit der Querbohrung 47a, in welcher die starr mit dem Zahnrad 6la verbundene Buchse 59a sitzt. Wenn der

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Vorsprung 45a und dag an ihm festgelegte Zahnrad 6la zwischen die Schenkel 51 und 55 derart eingeschoben worden sind, daß die Achse der Bohrung 47a mit der Achse 151 der Lagerbohrungen 55 und 57 zusammenfällt, kämmt die Kranzverzahnung 137 mit dem Zahnrad 6la; dann wird der Gelenkzapfen 65 in die miteinander fluchtenden Bohrungen eingeschoben und der Schwenkriegel 73 um seine Schwenkachse 75 derart geschwenkt, daß sein freies Ende in die Ringnut 71 des Zapfens 65 eingreift. Diese gesamte Gelenkanordnung wird sodann durch einen übergezogenen Balgen geschützt, der die Verbindungsoder Kuppelstelle der Zwischenglieder 9 und 9a abschirmt und abdeckt, aber in der Pig. 7 nicht dargestellt ist. Dieser Balgen ist jedoch in den Pig. 1 und 2 unter dem Bezugszeichen zu finden.

Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß das folgende Manipulatorglied 9a in Fig. 7 nicht unbedingt ein Zwischenglied gemäß der vorliegenden Erfindung sein muß; dieses Manipulatorglied kann auch am Ende des Manipulators durch das Handstück 5 ersetzt werden (Fig. 1 bis 4), dessen hinteres oder trägerseitiges Ende die gleichen Bauelemente aufweist, wie sie in Pig. 7 am Zwischenglied 9a dargestellt sind. Andererseits muß auch das trägerseitige Manipulatorglied 9 nicht zwangsläufig ein Zwischenglied gemäß der Erfindung sein; dieses Manipulatorglied könnte auch die Halterung 19 (Fig. 1 bis 4) sein, deren unteres Ende die gleichen Einrichtungen aufweist, wie sie am Zwischenglied 9 in Fig. 7 dargestellt sind.

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Claims

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Patentansprüche

1. Telemanipulator mit einem beweglichen Träger, einem Arbeitsorgan und beide gelenkig miteinander verbindenden Zwischengliedern, von denen jedes Antriebs- und Kraftübertragungsorgan einschließlich einer von außen betätigbaren drehmomentbegrenzenden Trennkupplung mit einstellbarer Schwelle zur Bewegung der ihm im Zuge der Kraftübertragung von dem Träger auf das Arbeitsorgan jeweils folgenden Manipulatorglieder enthält, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Zwischenglieder standardisierte Gelenke für ihre Einfügung in den Zug der Kraftübertragung aufweisen, mittels deren sie sich aneinander ansetzen bzw. gegeneinander austauschen lassen.

2. Telemanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die standardisierten 'Gelenke einerseits aus einer an dem einen von zwei miteinander zu verbindenden Manipulatorgliedern sitzenden Lagergabel mit durchbohrten Schenkeln und andererseits aus einem an dem jeweils zweiten Manipulatorclieder sitzenden, zwischen die Lagergabelschenkel einschiebbaren und ebenfalls durchbohrten Ansatz sowie aus einem in die miteinander fluchtenden Bohrunger, in den Lagergabelschenkeln und in dem Ansatz einsteckbaren und darin festlegbaren Gelenkbolzen bestehen.

J. Teleraanipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkbolzen an seinem einen Ende eine Scheibe von die lichte Weite der Bohrungen in den Lagergabelschenkeln übersteigendem Durchmesser trägt und an seinem anderen Ende eine rundumlaufende Nut aufweist und einer der Lagergabel-

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schenkel einen in die Nut in'den Geienkbolzen einschwenkbaren Riegel trägt.

4. Telemanipulator nach Anspruch 2_t oder ~5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ansatz koaxial zu dessen Bohrung ein Zahnrad befestigt ist, das bei in die Lagergabel eingeschobenem Ansatz mit einem zwischen die Lagergabelschenkel hineinragenden und drehbar gelagerten Zahnkranz kämmt.

5. Telemanipulator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Lagergabel oder der Ansatz· um die Längsachse des Jeweils zugehörigen Manipulatorgliedes· drehbar gelagert ist.

6. Telemanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenglieder Leitungen für die Versorgung der ihnen Jeweils nachgeordneten Manipulatorglieder mit Antriebsenergie und die standardisierten Gelenke Steckkupplungen für die gegenseitige Verbindung dieser Lei- ^! tungen aufweisen.

7. Telemanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkupplungen der Zwischenglieder Reibkörper mit einstellbarem gegenseitigem Anpreßdruck enthalten.

8. Telemanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkupplungen der Zwischenglieder ein von außen her gegen Pederdruck ausrückbares Zwischenzahnrad enthalten.

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