DE2048563A1

DE2048563A1 - Telemampulator

Info

Publication number: DE2048563A1
Application number: DE19702048563
Authority: DE
Inventors: Guill baud Jean Pierre Jouars Pontchartrain Vertut Jean Paris Germond Jean Claude Paris, (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1969-10-03
Filing date: 1970-10-02
Publication date: 1971-04-15
Also published as: CA939414A; FR2061941A5; ES384234A1; DE2048563B2; CH534568A; US3664517A; GB1331633A; JPS4927818B1; DE2048563C3; BE756593A

Description

Patentanwälte Dlpl.-Ing. R. B E E T Z sen.

Dipi-lng. K. LAMPRECHT

Cr.-Ing. R. BEE T Z jr.

·> München 22, Steinsdorfstr. 10 ^_Q__{l6 Λβ}^_Έ 2.10.1970

Commissariat ä I¹ Energie Atomique., Par i s (Frankreich)

Telemanipulator

Die Erfindung betrifft einen Telemanipulator mit einem Steuerarm und einem Arbeitsarm, die aneinander entgegengesetzten Enden eines Wanddurchführungsrohres angelenkt sind und jeweils aus mindestens zwei Gliedern bestehen.

Bei einem solchen Telemanipulator wird der Steuerarm durch eine Bedienungsperson betätigt und nimmt bei seinen Bewegungen den Arbeitsarm mit. Sowohl der Steuerarm als auch der Arbeitsarm ist aus aufeinanderfolgenden Gliedern aufgebaut, und jedes Glied des Steuerarmes nimmt bei seiner Bewegung ein ihm entsprechendes Glied des Arbeitsarmes mit.

Insbesondere sind Telemanipulatoren dieser Art bekannt, bei denen der Steuerarm ebenso wie der Arbeitsarm aus zwei Gliedern besteht. Aus auf der Hand liegenden Gründen wird bei diesen TeIemanipulatoren das Gelenk, das den Steuerarm als ganzes mit einem Wanddurchführungsrohr verbindet, das seinerseits die Verbindung zum Arbeitearm herstellt, als Schulter bezeiohnst, und das Gelenk

410-(B 3435.3)-D£Bk(7)

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zwischen den beiden Gliedern des Steuerarmes trägt entsprechend den Warnen Ellenbogen. Bei den bis heute üblichen Telemanipulatoren dieser Art erfolgt die Bewegungsübertragung von der Schulter des Steuerarmes zur Schulter des Arbeitsarmes und vom Ellenbogen des Steuerarmes zum Ellenbogen des Arbeitsarmes. Außerdem steuert bei den Telemanipulatoren, die ein erstes teleskopartig ausgebildetes Glied besitzen, das teleskopartige Glied des Steuerarmes das teleskopartige Glied des Arbeitsarmes.

ft Bei der oben geschilderten Bauweise von Telemanipulatoren,

bei denen die einander in ihrer Bewegung entsprechenden Glieder von Steuerarm und Arbeitsarm in diesen beiden Armen in der gleichen Reihenfolge angeordnet sind, ergeben sich in bestimmten Fällen und insbesondere bei Telemanipulatoren, die keine teleskopartige Bewegung gestatten, Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten gehen insbesondere auf die Begrenzung des möglichen Winkelaujischlags zwischen aufeinanderfolgenden Armgliedern wie beispielsweise zwischen dem ersten Glied eines Armes gegenüber dem Wanddurchführungsrohr oder zwischen dem ersten und dem zweiten Glied eines Armes zurück· Wenn nämlich einander entsprechende Glieder von Steuerarm und Arbeitsarm Bewegungen in gleichem Sinne ausführen, befinden sif-h die Schultern der beiden Arme in Bezug auf die sie trennend« Wand in

™ umgekehrter Anordnung. Als Folge davon kommt jeweils ein Glied eines Armes zum Anschlag und begrenzt die UewA^üungsmöglichkeit seines Armes, während das entsprechende Glied des anderen Armes frei beweglich bleibt. Wenn man beispielsweise die maximal mögliche Ausschlageamplitude für die Schulter des Steuerarmes bei einem Winkelausschlag von 6O° nach vorn erreicht, kommt die Schulter des Arbeitearmes bei der gleiohen Winkelstellung naoh hinten zum Anschlag, und es ergibt sioh eine Begrenzung des Gesamtau^schlages auf einen Endwert von 120°.

Auoh mit Hilfe der sogenannten Einrichtungen zur Verstellung der Arbeitstiefe, die eine Verschiebung eines Armes des Telemani-

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pulators als ganzes bei feststehendem anderen Arm ermöglichen, vermögen diesen Nachteil nur teilweise zu beheben,

Weiterhin sind zwar Telemanipulatoren mit Steuerarm und Arbeitsarm bekannt (FR-PS 1 533 744), bei denen das Endstück des Y/anddurchführungsrohres aus einem Kreuzkopf besteht, der dem Steuerarm eine Bewegung über die Horizontale hinaus gestattet, dieser Ausweg zwingt jedoch zur Verwendung eines Steuerarmes, der kürzer ist als der Arbeitsarm, was einen erheblichen Nachteil darstellt, und darüberhinaus ist dieser Ausweg auch nur ein Notbehelf, da er eine Überschreitung der Horizontalen um mehr als 30 in der Praxis nicht zuläßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen TeIemanipulator der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der sich unter Vermeidung der oben erwähnten Nachteile der bekannten Telemanipulatoren durch eine wesentlich größere Beweglichkeit seiner Arme auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reihenfolge der einander in ihrer Bewegung entsprechenden Glieder im Steuerarm und im Arbeitsarm unterschiedlich ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Telemanipulator, bei der der Arbeitsarm ein erstes und ein zweites Glied besitzt, die vom Wanddurchführungsrohr ausgehend In dieser Reihenfolge angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerarm anschließend an sein Gelenk am Wanddurchführungsrohr, also anschließend an sein Schultergelenk, der Reihe nach ein oberes zweites Halbglied, welches das zweite Glied des Arbeitsarmes steuert, ein erstes Glied, welches das erste Glied des Arbeitsarmes steuert, und ein unteres zweites Halbglied aufweist, das in unveränderlicher Winkellage zu dem oberen zweiten Halbglied gehalten ist. Bei dieser Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten

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Telemanipulators werden also die Bewegungen des ersten Gliedes des Steuerarmes auf das erste Glied des Arbeitsarmes übertragen, und die gleichzeitigen Bewegungen der beiden zweiten Halbglieder des Steuerarmes gelangen auf das zweite Glied des Arbeitsarmes.

Dieser Fall läßt sich also auch so aßffassen, daß der Arbeitsarm eine Schulter und einen Ellenbogen besitzt und die Schulter des Arbeitsarmes vom Ellenbogen, also dem Gelenk zwischen dem oberen zweiten Halbglied und dem ersten Glied, aus betätigt wird, während das Ellenbogengelenk des Arbeitsarmes von der Schulter, also dem Gelenk zwischen dem Wanddurchführungsrohr und dem oberen zweiten Halbglied, des Steuerarmes aus bewegt wird.

Bei einer solchen Anordnung müssen naturgemäß Mittel vorgesehen sein, um die beiden zweiten Halbglieder in unveränderlicher Winkellage zueinander, beispielsweise parallel zueinander, zu halten.

Zur Vereinfachung der weiteren Beschreibung sollen im folgenden die Glieder im Steuerarm und im Arbeitsarm, die einander bewegungsmäßig entsprechen, stets mit der gleichen Zahl bezeichnet werden, so daß also beispielsweise das erste Steuerarmglied stets das erste Arbeitsarmglied bewegt. In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels veranschaulicht, das einen Telemanipulator mit einem Arbeitsarm darstellt, der aus zwei Gliedern besteht.

Dabei zeigen in der Zeichnung?

Fig. 1 eine schematisch gehaltene Seitenansicht des Telemanipulators als ganzes.

Fig. 2a ein Prinzipschema zur Veranschaulichung der Führung der Übertragungskabel vom Steuerhandgriff des Steuerarmes bis zur

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Greifzange am Ende des Arbeitsarmes für eineflTelemanipulator nach Fig. 1 , bei dein einander entsprechende Glieder des Steuerarmes und des Arbeitsarmes gleiche Winkelbewegungen ausführen

Fig.2b eine Fig«. 2a ähnliche Darstellung zur Veranschaulichung der Lage der Übertragungskabel für die Steuerung der Ausschläge des zweiten Gliedes des Arbeitsarmes, also der Bewegungen im Ellenbogen des Arbeitsarmes

Fig. 2c und 2d wieder ähnlich der Darstellung in Fig. 2a zwei Varianten für die Führung der Steuerkabel für die Ausschläge des ersten Gliedes des Arbeitsarmes, also dessen Bewegungen in seinem Schultergelenk.

Fig. Ja. und 3b schematische Darstellungen zur Veranschaulichung jeweils der Teile der Einrichtung zur Verstellung der Arbeitstiefe, die mit der Steuerung für das Glied und der Steuerung für das Ellenbogengelenk gekoppelt sind.

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Ausgleichsgewichtseinrichtung für den Steuerarm und

Fig. 5 und 6 ein Prinzipschema für die Ausgleichgewichtseinrichtung für den Arbeitsarm bzw. eine perspektivische Darstellung der Hauptteile dieser Einrichtung.

Der in Fig. 1 als ganzes dargestellte Telemanipulator kann aufgebaut gedacht werden aus einem Wanddurchführungsrohr A, das eine Schutzwand gegen von in einem dadurch begrenzten Baum enthaltenen Materialien ausgehende Gefahren durchquert, einem innerhalb dieses Raumes untergebrachten Arbeitsarm B und einem außerhalb davon angeordneten Steuerarm C. Das Wanddurchführungarohr A weiat an seinen beiden Enden Schultergelenke 2 und 3 für den Arbeitsamt B bzw. für den Steuerarm G auf, die im folgenden nioht weiter beaohrie-

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ben zu werden brauchen, da sie in üblicher und allgemein bekannter Weise ausgeführt sein können.

Der Arbeitsarm B besitzt ein erstes Glied 4> das im Schultergelenk 2 mit dem Wanddurchführungsrohr A und in einem Ellenbogengelenk 5 mit einem zweiten Glied 6 verbunden ist, das sich in der durch das Wanddurchführungsrohr A und das erste Armglied 4 definierten Ebene bewegt. Das freie Ende des zweiten Gliedes 6 ist mit einem Knie 7 versehen, das seinerseits eine Greifzange 8 trägt. Mit Yorteil enthält das zweite Armglied 6 zwei Teile, die sich gegeneinander verdrehen lassen, so daß die Greifzange 8 durch eine Azimut)falbewegung ausgerichtet werden kann. Diese Bewegung läßt sich dann mit den beiden Preiheitsgräden kombinieren, die dem Knie 7 üblicherweise zukommen. Auch hierbei handelt es sich um einen üblichen Aufbau, wie er beispielsweise in den PE-PS 1 394 029 und 1 5O6 552 bzw. den diesen entsprechenden DB-PS 1 281 655 und DT-PA PI4 56 445*5 im einzelnen beschrieben ist.

Der Steuerarm C besitzt seinerseits anschließend an sein Schultergelenk 3 ein Halbglied 9, das dem zweiten Glied 6 des Arbeitsarmes B entspricht und aus diesem Grunde als oberes zweites Halbglied bezeichnet werden soll. Das Halbglied 9 endet in einem Ei^enbogengelenk 10, das ein Glied 11, trägt, das dem Glied 4 des Arbeitsarmes B entspricht und aus diesem Grunde als erstes Steuerarmglied bezeichnet werden soll. Am anderen Ende dieses ersten Steuerarmgliedes 11 schließen sich ein Gelenk 12, das als eine Art von Pseudoschultergelenk betrachtet werden kann, und,ein Halbglied '13 an, das über ein Knie I4 einen Steuerhandgriff 15 trägt. Weiter unten im einzelnen beschriebene Einrichtungen halten das Halbglied I3 parallel zu dem Halbglied 9, und daher soll im folgenden das Halbglied I3 als unteres zweites Steuerarmhalbglied bezeichnet werden. Das Halbglied I3 ist so gestaltet, daß eine Au sr icht bewegung in Form einer" Drehung um seine Achse, also eine Azimut/alfoewegung, möglich wird, die derjenigen Bewegung entspricht, die auf der Seite dea Arbeitsarmes B durch

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das zweite Glied 6 gewährleistet wird.

Mit Vorteil kann das untere Halbarmglied 13 des Steuerarmes C aus zwei Teilen zusammengesetzt sein, die sich hilfsweise gegeneinander verdrehen lassen und dann dem Steuerarm die Möglichkeit geben, die durch das Wanddurchführungsrohr A und den Arbeitsarm B definierte Ebene zu verlassen, wodurch sich eine seitliche Verstellungsmöglichkeit ergibt.

In Fig. 1 ist in gestrichelten Linien eine Anordnung angedeutet, wie sie sich ergeben würde, wenn das erste Steuerarmglied 11 unmittelbar an das Schult er gelenk 3 angefügt würde. Aus" der Darstellung der tatsächlichen Anordnung in Fig. 1 sieht man, daß bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Telemanipulator der Steuerarm B sein zweites Glied, das dem Unterarm des Arbeitsarmes B entspricht, vor seinem ersten Glied liegen hat, das dem eigentlichen Arm des Arbeitsarmes B entspricht. Diese Umkehr der Glieder macht das System mechanisch realisierbar, während das in gestrichelten Linien in Fig. 1 angedeutete System dies nicht wäre, da der Ellenbogen 17 eines solchen Gebildes, das sich durch eine Translationsbewegung des Arbeitsarmes B ergeben würde durch das Wanddurchführungsrohr /\ hindurchgehen müßte.

Zwar wäre eine mechanische Realisierung dieser letzten Anordnung dann möglich, wenn man dem steuerarmseitigen Ende des Wanddurchführungsrohres A die Form eines Kreuzkopfes geben wollte, doch ist leicht einzusehen, daß eine solche Ausführung sehr sperrig werden würde.

Von den Vorteilen, welche die erfindungsgemäße Ausbildung des Telemanipulators bietet, fällt insbesondere der überaus große Ausschlag auf, der dem ersten Glied 4 des Arbeitsarmes B möglich ist. Dieses erste Arbeitsarmglied 4 läßt sich nämlich um einen Yiinkel von im allgemeinen mindestens 60° sowohl nach oben als auch nach

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unten gegenüber der Achse des Wanddurchführungsrohres A verschwenken, die im allgemeinen horizontal verläuft, ohne daß das Ellenbogengelenk 12 des Steuerarmes C auf das Wanddurchführungsrohr A trifft. Weitere Vorteile dieser Ausführung ergeben sich für die Konstruktion und die Führung der Bedienungskabel. Diese Vorteile werden im folgenden näher erläutert.

Dazu soll zunächst die Übertragung der Bewegungen vom Steuerarm β auf den Arbeitsarm B unter Bezugnahme auf die Fig. 2a, 2b und 2c beschrieben werden.

Die Steuerbewegungen für die Greifzange 8, nämlich die Bewegung des Knies 7 und das Öffnen und Schließen der Greifzange 8 selbst, werden an der Stelle des Handgriffes 15 und des Knies 14 durch Organe ausgelöst, die von üblicher Bauart sein können und daher hier nicht weiter beschrieben sind» Entsprechend ist in Fig. 2a auch nur der Verlauf eines einzigen flexiblen Übertragungselements 36 entlang' der Glieder von Steuerarm C und Arbeitsarm B eingezeichnet.

In dem Schema für die Kabelführung in Fig. 2a sind der Einfachheit halber die auf den verschiedenen Gelenkachsen sitzenden Rollen mit der gleichen Bezugszahl wie diese Gelenke jeweils unter Hinzufügung eines a bezeichnet. Obwohl in der Zeichnung nur ein einziges flexibles Übertragungselement 56 dargestellt ist, versteht es sich • von selbst, daß auch mehrere solcher Elemente wie Bänder, Kabeln oder Ketten für die Übertragung der Bewegungen von dem Steuerhandgriff 15 auf die Greifzange 8 vorgesehen sein können. Insgesamt sind nämlich 4 verschiedene Bewegungen zu realisie.ren, und zwar sind dies das Öffnen und das Schließen der Greifzange 8, die Ausrichtung des Knies 7 um zwei zueinander senkrechte Achsen und die Drehung des zweiten Gliedes 6 des Arbeitsarmes B.

Jedes der flexiblen übertragungselemente 36 läuft anschließend an die Greifzange 8 des Arbeitsarmes B über eine Rolle 5a am Ellenbogengelenk 5 des. Arbeitsarmes B und dann über eine Rolle 2a am

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Schultergelenk 2 des Arbeitsamtes B. Eine an dem Wanddurchführungsrohr A angebrachte zusätzliche Führungsrolle 18 hält den von der Rolle 2a kommenden Strang des flexiblen Übertragungselements 36 selbst .dann in Anlage an der Rolle 2a, wenn das Arbeitsarmglied 4 über seine Flucht st ellung mit dem v'/anddurchführungsrohr A hinaus nach oben, d.h. in der Praxis über die Horizontale hinaus geführt sein sollte. Anschließend wird das flexible Übertragungsorgan 36 durch eine Rolle 3a am Schultergelenk 3 des Steuerarmes C unterstützt und sodann durch eine weitere Rolle 10a am Ellenbogengelenk 10 des Steuerarmes C. Zwischen die Rollen 3^{a u}**d 10a ist eine zusatz- * liehe Andrückrolle I9 eingefügt, die an dem ersten Steuerarmglied 11 sitzt und das flexible übertragungselement 36 ständig an die Rolle 10a andrückt. Als letztes läuft das flexible Übertragungselement 36 dann über eine Rolle 12a auf dem Pseudoschultergelenk 12 des Steuerarmes G.

In Fig. 2a läuft das flexible Übertragungselement 36 über alle Rollen 5a, 2a, 3^a> 10a und 12a an den verschiedenen Gelenken 5t 2, 3, 10 und 12 oben hinweg, und dieser Anlagesinn soll im folgenden als positiver Sinn betrachtet werden.

Offensichtlich ist es erforderlich, daß die Gesamtlänge des flexiblen Jbertragungselements 36 während der verschiedenen Verformungen von Steuerarm C und Arbeitsarm B in ihren Gelenken unverändert \ bleibt ο Die Möglichkeiten zur Erfüllung dieser Bedingung sollen nunmehr untersucht werden. Dazu sei der Winkel zwischen dem ersten Glied 4 des Arbeitsarmes B und der Achse des Wanddurchführungsrohres A mit j< und der Winkel zwiachen der Achse des Wanddurchfuhrungsrohres A und des zweiten Glieds 6 des Arbeitsamt B mit /3 bezeichnet. Weiter sei angenommen, daß in einem ersten Zeitpunkt die einander entsprechenden Glieder von Steuerarm C und Arbeitsarm B parallel zueinander verlaufen»

Dann läßt sich die oben erwähnte Bedingung so formulieren, daß die Gesamtlänge des flexiblen Übertragungselements 36 unabhängig von

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der Größe der Winkel <x und/3 konstant bleiben muß. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt das, daß die Summe der Rollbewegungen auf den verschiedenen Rollen unabhängig von den Winkeln <* und β sein muß. Nun berechnen sich die Roll-Längen:

Für die Rolle 5a mit dem Radius R5 : R 5 ( <x +■ β )» " " 2a " " R2 :-R 2«C ,

3a " " E3 :-E 3fi > ¹¹ 10a " " R10-.-R10 (#-+ fl) und " 12a " " R12JR12 (^₁ ■+ β ).

Il Il

Dann läßt sich die oben erwähnte Bedingung so ausdrücken, daß gleichzeitig die beiden Gleichungens

B5 - E2 --B10 + H 12 - 0 (1)

R5 - R5 - R10 + R 12 . 0 (2)

erfüllt sind. Dies bedeutet unter der Annahme, daß die beiden Radien R2 und R3 gleich groß und gleich dem Wert R sind, daß die Gleichung:

R5- R m R10 - R12
befriedigt sein muß.

Diese Bedingung kann man auch so ausdrucken, daß die Rollen 2a und 3a an den Schultergelenken 2 bzw. 3 von Arbeitsarm B und Steuerarm C denselben Radius haben müssen und daß die Differenz zwischen den Radien für die Rollen am ersten Glied 4 des Arbeitsarmes B, also die Rolle $& am Ellenbogengelenk 5 und die Rolle 2a am Schultergelenk 2 gleich der Differenz zwischen den Radien für die entsprechenden Rollen des entsprechenden Armgliedes des bteuerarmes C, also die Rolle 10a am Ellenbogengelenk 10 und die Rolle 12a am Pseudoschultergelenk 12, sein muß. Alle obigen Bedingungen sind insbesondere dann erfüllt, wenn alle Rollen den gleichen Durchmesser haben. Diese Lösung 1st gleichzeitig die einfachste und die vorteilhafteste.

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Bisher ist angenommen worden, daß jede Drehung eines Gliedes des Steuerarmes C um einen Winkel ** oder β eine entsprechende Drehung des zugehörigen Gliedes des Arbeitsamtes B zur Folge hat. Im Gegensatz dazu kann man auch einen Telemanipulator bauen, "bei dem das erste Glied des Arbeitsarmes durch eine Drehung des entsprechenden Gliedes des Steuerarmes zwar'/eine Drehung in gleicher Sichtung, aber mit um einen Reduktions-. oder Verstärkungsfaktor P verkleinerter oder vergrößerter Amplitude versetzt wird, während das zweite Glied des Arbeitsarmes eine entsprechende Drehung mit einest Reduktionsoder Verstärkungsfaktor K erfährt. Die obigen Gleichungen (1) und (2) gehen dann in die nachstehenden Gleichungen:

P (E5 - R2) - R10 + R12 = O
IC (R5 - R3) - H10 + R12 = O

über, die etwas komplizierter aufgebaut sind und aus denen sich insbesondere die Gleichung:

. R5 - P . R2 + K * R3■ « O

ergibt. In dieser Schreibweise zeigt die Bedingung, daß die Rollen 2a und Ja an den Schultergelenken 2 und 3 noch denselben Radius haben müssen, wenn die Faktoren P und K einander gleich sind.

Zu den obigen Gleichungen sei noch angemerkt, daß der in Fig.2a eingetragene Rollsinn der einzig mögliche ist, wenn die Reduktionsoder Verstärkungsfaktoren P und K einander gleich und gegebenenfalls gleich 1 sind. Jede Umkehrung des Sinnes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen wie 5a und 2a oder 2a und 3a würde es nämlich unmöglich machen, die obigen Gleichungen für die Übertragungsbedingungen zu erfüllen. Sind dagegen die Faktoren P und K verschieden, so kann insbesondere für bestimmte Werte für diese Faktoren eine umkehr des Drehsinnes für zwei aufeinanderfolgende Rollen erforderlich werden,

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" ' ^{U w} ^b ' - ' OBlGINAL INSPECTED

um die obigen Gleichungen zu erfüllen,,

Das in Fig.2a angegebene Schema für die Kabelführung läßt sich in gleicher Weise für die Übertragung der Bewegungen von dem Gelenk 12 des Steuerarmes C auf das Gelenk 5 des Arbeitsarmes B anwenden. Dazu genügt es, die von den Rollen 5a und 12a zu den entsprechenden Knien führenden Kabelstränge mit Hilfe zusätzlicher zurückführender Kabelstränge zu einer geschlossenen Kabelschleife zu ergänzen und an den Gelenken 5 und 12 Rollen zu verwenden, die mit den entsprechenden Armgliedern, nämlich den Armgliedern6 und 1J, fest verbunden sind. Ein solches Kabelschema würde jedoch überflüssige Teile enthalten, und es ist daher vorzuziehen, ein Kabelschema zu verwenden, wie es in Fig. 2b veranschaulicht ist, in der die an den verschiedenen Gelenken sitzenden Rollen mit den jeweils gleichen Bezugszahlen unter Hinzufügung eines b bezeichnet sind. Auch das Kabelschema von Fig.2b führt auf die Befriedigung der obigen Gleichungen (1) und (2), wobei zusätzlich die Bedingung R12=R10=0 eingeführt wird, die Rolle 3b also unmittelbar mit den für die Übertragung der Bewegungen auf die Rolle 5b am Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarmes B bestimmten Kabeln verbunden ist. In Fig. 2b sieht man ein flexibles Übertragungselement 32, das die Rolle 5b mitnimmt, die ihrerseits durch ein Ritzel ersetzt wird, wenn das Übertragungselement 32 eine _ Kette ist. Der untere und der obere Strang des Übertragungselements ™ laufejdüber eine Rolle 2b am Schultergelenk 2 des Arbeitsarmes B, wobei sie durch an den Wanddurchführungsrohr A sitzende Andrückrollen und 34 an die Rolle 2b angedrückt werden, und anschließend vereinigen sie sich auf der Rolle 3b am Schultergelenk 3 des Steuerarmes C, die als Antrieb für das Übertragungselement 32 dient.

Außerdem sind zur Aufrechterhaltung der Parallelität zwischen dem oberen und dem unteren Halbglied 9 und 13 des Steuerarmes C zwei Rollen oder Ritzel 10b bzw. 12b, die jeweils mit einem dieser HaIb-

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glieder 9 bzw. 13 fest verbunden sind, durch eine Schleife 35 aus einem Band, einem Kabel oder einer Kette miteinander gekoppelt. Auf diese Weise bilden die beiden Halbglieder 9 und 13 im Steuerarm C das Gegenstück zum zweiten Armglied 6 des Arbeitsarmes B.

Fig. 2c zeigt das Prinzipschema für die Übertragung der Bewegungen auf das Schultergelenk 2 des Arbeitsarmes B. Dieses Prinzipschema entspricht wieder den in den obigen Gleichungen (1) und (2) angegebenen Bedingungen, wobei die Rollen an den Gelenken 5 und 12 jeweils den Radius Null haben. ™

Ein in Form einer geschlossenen Schleife ausgebildetes flexibles übertragungselement 36 läuft über eine angetriebene Rolle 2c, die bei Ausbildung des Übertragungselements 36 als Kette durch ein Ritzel ersetzt ist, und anschließend über eine Umlenkrolle 3c am Schultergelenk 3 des Steuerarmes C zu einer Antriebsrolle 10c, die drehfest mit dem ersten Glied 11 des Steuerarmes C verbunden ist. Zwei Rollen 37 und 38 mit kleinerem Durchmesser, die auf dem Halbglied 9 sitzen, drücken das flexible Übertragungselement 36 ständig an die Rollen 3c und 10c an.

Wenn die Übertragung der Steuerbewegungen für das Schultergelenk 2 A des Arbeitsarmes B durch eine Kette bewirkt wird, kann es von Vorteil sein, das in Fig. 2d veranschaulichte Übertragungsschema anzuwenden, das eine Variante zu dem in Fig. 2c veranschaulichten Schema darstellt, die -diesem kinematisch äquivalent ist. In Fig. 2d bildet das als Kette ausgebildete Übertragungselement 36 eine geschlossene Schleife um Ritzel 3c und 2c an den Schultergelenken 2 und 3, wobei es durch "leer mitlaufende Zahnräder 39, 40, 4I und 42 in Anlage gehalten wird. Eine zweite, ebenfalls einen geschlossenen Ring bildende Kette 43 koppelt das Steuerritzel 10c mit einem Ritzel 44, das drehfest mit dem Ritzel 3c verbunden ist.

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lus Fig. 2c oder auch aus Pig. 2d sieht man sofort, daß eine Schwenkbewegung μΐη das Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarmes B" keine Auswirkung auf die Länge der übertragungselemente hat.Dann bewegen sich nämlich das Knie 7 an die Stelle 7','das Ellenbogengelenk 10 des Steuerarmes C an die Stelle 10· und das Pseudoschultergelenk 12 des Steuerarmes C an die Stelle 12'. Jedoch bleibt das Armglied 11 zu sich selbst parallel, und es rölltebenso viel von dem flexiblen Übertragungselement 36 von der Rolle Jc ab, ,die bei dieser Bewegung auf die Rolle 10c aufläuft.

Außerdem wird aus Fig. 2b und 2c ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Telemanipulators klar ersichtlich, der zu dem Vorteil, daß man für alle Gelenke Bollen von gleichem Durchmesser verwenden kann, noch hinzukommt. Dieser Vorteil ist mit der Tatsache verbunden, daß die Gesamtlänge des Übertragungsweges für die Steuerung des Ellenbogengelenks 5 des Arbeitsarmes B, die allein von dem Schultergelenk 5 des Steuerarmes C ausgeht, gleich der Summe aus der Länge des Wanddurchführungsrohres A und der Länge des ersten Gliedes 4 des Arbeitsarmes ist, während die Länge des Übertragungsweges für die Steuerung des Schultergelenks 2 des Arbeitsarmes B gleich der Summe aus der Länge des Wanddurchführungsrohres A und der Länge des oberen zweiten Halbgliedes 9 -es Steuerarms C ist. Im Gegensatz dazu wird bei Telemanipulatoren, die eine vollkommen symmetrische Anordnung zeigen, die Länge des Übertragungsweges von Ellenbogengelenk zu Ellenbogengelenk wesentlich größer als die Länge des Übertragungsweges von Schultergelenk zu Schultergelenk. Nun ist jedoch eine Gleichheit dieser Weglängen für die Steifigkeit des Telemanipulators insbesondere hinsichtlich der Bewegung der Ellenbogengelenke sehr von Vorteil.

Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung ist mit der Tatsache verbunden, daß die oberen Kabelstränge, die über die Rollen 2a, 2b und 2o am Schultergelenk 2 des Arbeitsarmes B laufen, sämtlich

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auf das erste Glied 4 des Arbeitsarmes einwirken. Als Folge davon teilen sich alle flexiblen Übertragungselemente in die Beanspruchung des Schultergelenks 2 des Arbeitsarmes B. Nun ist dieses Gelenk dasjenige, das ein maximales Moment aufzunehmen vermag, wenn der Arbeitsarm B mit seinen Gliedern 4 und 6 vollkommen zur horizontalen Lage gestreckt ist. Diese Teilung in die Beanspruchung insbesondere durch die"Steuerung des Schultergelenks 2 des Arbeitsarmes B (Fig.2c) und die Steuerung des Ellenbogengelenks 5 des Arbeitsarmes B (Fig.2b) zustande, während die Auswirkung der in Fig. 2a dargestellten Kabelführung mit im allgemeinen vier Kabeln für das. Knie 7 und die Greif- J zange 8 und zwei Kabeln für die in Fig.1 veranschaulichte azimutale Ausrichtung dagegen vernachlässigbar ist.

Diese Anordnung hat zweierlei Auswirkungen: Zum einen können die flexiblen Übertragungselemente für die Steuerung der Bewegung im Schultergelenk 2 und im Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarmes B, die auf Rollen oder Ritzel von gleichem Durchmesser arbeiten, aus Kabeln von gleichem Querschnitt oder aus identischen Ketten bestehen, während eine andere Anordnung es notwendig . machen würde, das Drehmoment für das Schultergelenk 2 des Arbeitsarmes mit einer stärkeren Rolle 2e zu übertragen als die Rolle 5^> die das Drehmoment für die Steuerung im Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarmes bewirkt. Die Addition der beiden Übertragungen in ihrer % Auswirkung auf den sich um das Schultergelenk 2 drehenden Rollensatz ermöglicht es, Verzerrungen zu vermeiden und den Durchmesser für das Wanddurchführungsrohr A erheblich zu vermindern, das alle Rollenauf der Höhe des Schultergelenks 2 des Arbeitsarmes B aufnehmen muß.

Zum anderen wirkt sich die mit dem Umstand, daß alle Übertragungsrollen an der Stelle des Schultergelenks 2 des Arbeitsarmes B von gleichem Durchmesser sind, verbundene Gleichheit der Beanspruchung durch" Momente auf den Mechanismus zur"Verstellung der Arbeitstiefe aus, mit dem der oben beschriebene Telemanipulator mit Vorteil

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ausgestattet ist. Diese Einrichtung ist dazu bestimmt, den Arbeitsarm B als ganzes oder einen Teil davon ohne entsprechende Bewegung auf Seiten des Steuerarmes C zu verschieben.

Diese Verschiebung wird durch Veränderung der Länge einer in den Weg der flexiblen Übertragungselemente eingefügten offenen Schleife erreicht. Dazu kann man sich insbesondere einer Vorrichtung zum Verstellen der Arbeitstiefe der Telemanipulatoren bedienen, wie sie in der Parallelanmeldung (4IO-E3436.3) der Anmelderin vom 2.10,1970 beschrieben ist.

Diese Verstellvorrichtung, die insbesondere auf die Verhältnisse bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Telemanipulator abgestellt ist, sei im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. ^a und Jb kurz beschrieben. Die Vorrichtung sitzt auf dem Wanddurchführungsrohr A auf dessen steuerarmseitigern Ende außerhalb der davon durchquerten Schutzwand.

In der Fig. 2a ähnlichen Fig. Ja ist der Teil der Verstellvorrichtung D dargestellt, der mit dem flexiblen Übertragungselement gekoppelt ist.

Das flexible Übertragungselement 30, das repräsentativ für verschiedene Kabel, Bänder oder Ketten steht, welche die Azimut/älbewegung des zweiten Gliedes 6, die Ausschläge des Knies.7 und das Öffnen und Schließen der Greifzange 8 am Arbeitsarm B steuern, läuft nacheinander über eine ümlenkrolle 21, eine bewegliche Rolle 22 für die Steuerung der Verstellung und eine Umlenkrolle 2J. Die Anordnung der Sollen 21 und 23 ist so, daß die auf der Rolle 22 ankommenden Kabelstränge parallel zueinander verlaufen. Die Zeichnung zeigt, daß es genügtjdie Rolle 22 im Sinne des Pfeiles f oder entgegengesetzt dazu zu verschieben, um eine gleichzeitige Änderung der Länge aller über die Rolle 22 laufenden Kabel oder Ketten und damit eine Drehbewegung um ihre jeweiligen Gelenke (Ellenbogengelenk oder Schultergelenk) zu bewirken.

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In entsprechender Weise kann man gemäß der Darstellung in Fig.5b den oberen Strang des flexiblen Übertragungselements 32 für die Bewegung im Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarmes B über eine der Rolle ähnliche bewegliche Rolle 22b laufen lassen, so daß man eine gleichzeitige Änderung der Länge aller über die Rollen 22 und 22b laufenden Kabel und damit ein Kippen des Arbeitsarmes B bewirken kann.

An dieser Stelle sind zwei verschiedene Fälle zu unterscheiden. Will man eine Verstellung der Arbeitstiefe durch Kippen des zweiten Gliedes 6 des Arbeitsarmes B um das Ellenbogengelenk 5 erreichen, M

so genügt es^das flexible Übertragungselement 36 für die Steuerung der Bewegungen im Schultergelenk 2 des Arbeitsarmes B von der Rolle 2c frei zur Rolle 3c laufen zu lassen, das heißt, es ändert sich nichts an dem in Fig.2c veranschaulichten Prinzipschema» Für den Fall einer Verschiebung des Rollensatzes -i» den Rollen 22 und 22b im Sinne des Pfeilesfoder umgekehrt dazu ändert sich die Länge des oberen Stranges des flexiblen Übertragungselements 36 für die Steuerung der Bewegung im Schultergelenk 2 nicht, und es entsteht auch keine Änderung in der Ausrichtung des ersten Gliedes 4 des Arbeitsarmes B.

Wenn dagegen, und dies ist der allgemeine Fall, eine Verstellung der Arbeitstiefe durch Kippen des Arbeitsarmes B als ganzes um sein Schultergelenk 2 gewünscht wird, muß man den oberen Strang des flexib- ™

len Übertragungselements 36 über zwei den Rollen 21 und 23 ähnliche feststehende Führungsrollen 21b und 23b laufen lassen und zwischen diesen Rollen über eine gemeinsam mit den Rollen 22 und 22b verschiebbare öteuerrolle führen.

Für alle flexiblen übertragungselemente, die wie insbesondere die Übertragungselemente 36 und 32 eine positive Steuerbewegung bewirken sollen, ist es erforderlich, für den unteren Strang eine der mit dem oberen Strang gekoppelteftVorrichtung entgegengesetzte Stellvorrichtung vorzusehen. So läuft das Übertragungselement 32 beispielsweise in Fig. 3b über zwei feststehende Führungsrollen 25b und 27b

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und dazwischen über eine Steuerrolle 26b. Die Steuerrolle 26b muß sich zur gleichen Zeit wie die Rolle 22b verschieben. Eine einfache Lösung dafür besteht darin, alle Steuerrollen auf ein und demselben ■Schieber 24 anzubringen, der sich quer zum Wanddurchführungsrohr A verschieben läßt. Der Schieber 24 kann die in Fig.. 6 veranschaulichte Ausbildung haben und aus einem U-förmigen Bügel bestehen, dessen Boden eine Gewindebohrung aufweist, in die eine Schraubspindel eingeschraubt ist, die mit einer feststehenden Platte gegen Translation gesichert verbunden ist und durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Motor in Drehung versetzt werden kann.

Praktische Erwägungen verlangen, daß die mit ein und d€ha>selben Strang gekoppelten Steuerrollen nicht auf ein und derselben Achse liegen, sondern auf zwei entlang zueinander und zur Achse des Wanddurchführungsrohres 7 paralleler Achsen angeordnete/ Züge verteilt sind. Jede Steuerrolle sitzt mit Vorteil in einem eigenen Gehäuse, dessen Lage auf dem Schieber 24 in Richtung des Pfeiles f zwecks Einstellung der Spannung des entsprechenden Kabelzuges veränderbar ist.

Bei Ausrüstung des Telemanipulators mit einer Verstellvorrichtung zur Verstellung der Arbeitstiefe müssen der Steuerarnt und der Arbeitsarm unabhängig voneinander ins Gleichgewicht gebracht werden..*. Die mit der unsymmetrischen Ausbildung des Telemanipulators ver- * knüpften Eigenschaften beider Arme ermöglichen es, diese Gleichgewichtseinstellung mit Hilfe einer relativ einfachen Vorrichtung zu erreichen, die in der oben erwähnten Parallelanmeldung der Anmelderin beschrieben ist.

Die für die Herstellung des Gleichgewichts am Steuerarm gedachte Vorrichtung (Fig. 4) weist ein Gegengewicht 51 und einen Satz von Schwenkhebeln 52, 52', 53 und 53« auf, die miteinander ein Gelenkr Parallelogramm bilden und das Gegengewicht 51 etändig in einer zur Lage des Schwerpunktes des Steuerarmes G in Bezug ,auf eine feste Achse homothetischen Lage halten. In diesem Gelenkparallelogramm ist

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der Schwenkhebel 52 an dem Schwenkhebel 53 angelenkt, der seinerseits fest mit der Rolle 3c verbunden ist, an deren Stelle bei Ausbildung des Übertragungselements als Kette ein Ritzel treten kann. Das Gelenkparallelogramm wird vervollständigt durch den Schwenkhebel 53' und den eine Verlängerung des oberen zweiten Halbgliedes 9 bildenden Schwenkhebel 52'.

Für den Fall, daß das obere zweite Halbglied 9 eine Hilfsdrehbewegung ausführt, muß das Gelenkparallelogramm der Gleichgewichtsanordnung dieser Bewegung offensichtlich folgen. In diesem Falle kann j ein weiterer Schwenkhebel 53" in Verlängerung des Armgliedes 11 die Mitnahme gewährleisten.

Die Gleichgewichtseinrichtung für den Arbeitsarm C (Fig. 5 und 6) ist in ähnlicher Weise mit einem Gegengewicht 55 ausgeführt, das auf der iarmseite der Schutzwand angeordnet ist. Das Gegengewicht ist mit einem Satz von Schwenkhebeln 61 und 62 gekoppelt, die miteinander eine verformbare Gelenkverbindung bilden, welche die geometrische Anordnung der Glieder des Steuerarmes C widergibt. Dabei sitzt das Gegengewicht 55 a-nf dem ersten Schwenkhebel 61, der seinerseits um eine Achse 56 drehbar mit dem zweiten Schwenkhebel 62 verbunden ist, der sich¹ wiederum um eine feststehende Achse 57 drehen kann.

Der Übertragungsmechanismus, der durch seine Einwirkung auf die Schwenkhebel 61 und 62 die Bewegungen des ersten und des zweiten Gliedes des Arbeitsarmes B nachbilden soll, ist mit der Verstellvorrichtung Jf gekoppelt. Um die Zeichnung nicht zu überladen, sind in Fig.5 nur die oberen Stränge der biegsamen Übertragungselemente 36 und 32 für die Übertragung der Bewegungen zum Schultergelenk 2 und zum Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarmes B veranschaulicht.

Die Ro-lle 21b, an der das biegsame Übertragungselement 32 für die Steuerbewegung für das Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarmes B anliegt, dreht sich, sobald eine Verstellung der Arbeitstiefe durch Verschiebung

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der beweglichen Rolle 22b vorgenommen wird. Die Ausrichtung der Rolle 21b ist daher mit der Lage des Ellenbogengelenks des Arbeitsarmes B gekoppelt. Wird die Bewegungsübertragung durch eine Kette bewirkty^und die Rolle 21b dann durch ein Zahnrad ersetzt, wie dies in Fig. 6 veranschaulicht ist, gibt es keinerlei Glere&toewegung, und die Reproduktion wird exakt. Bin Getriebezug mit Richtungsumkehr gibt außerhalb des die Verstellvorrichtung enthaltenden Gehäuses die Stellung des zweiten Gliedes des Arbeitsarmes ~B an einem Mitnahmezahnrad 58 wieder, das außerhalb des Gehäuses der Verstellvorrichtung angeordnet ist. Die Rolle 21c, die in ähnlicher Weise wie die Rolle 21b an dem flexiblen Übertragungselement 56 für die Steuerung der Bewegung im Schultergelenk 2 des Arbeitsarmes B angeordnet ist, nimmt über einen Getriebezug mit Richtungsumkehr und geeignetem Übersetzungsverhältnis ein Mitnahmezahfirad 59 mit, das außerhalb des Gehäuses der Verstellvorrichtung die lage des ersten Gliedes des Arbeitsarmes B wiedergibt.

Das Zahnrad 58 betreibt eine Kette 60, die auf ein mit dem Zahnrad 21b durchmessergleiches Zahnrad wirkt, das fest mit dem Schwenkhebel 22 verbunden ist und diesen in Drehung um die~Ach.se 57 versetzt, was einer Reproduktion der Bewegung im Schultergelenk 2 des Arbeitsarmes B entspricht. In ähnlicher Weise nimmt das Zahnrad 59 über zwei Ketten 63 und 64 und ein Paar von ffiarst&tfjj^&^faBahnrädern ein Zahnrad mit, das fest mit dem Schwenkhebel 61 verbunden ist und diesen in Drehung um die Achse 56 versetzt, was einer Reproduktion der Bewegung im Ellenbogengelenk 5 des Arbeitsarmes B entspricht.

Wie die Zeichnung zeigt, führt das Gegengewicht 55 infolge der oben beschriebenen Kraftübertragung Winkelbewegungen aus, die denen des Knies des Arbeitsarmes B entsprechen, ufld bringt den Arbeitsarm B unabhängig ins Gleichgewicht. , /

ORIGINAL INSPECT»)

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Die oben beschriebene GrleichgewxchtseinriGhtung verwendet als Antriebselemente die Zahnräder 21b und 21c. In ähnlicher Weise kann man die Zahnräder 23b und 23c zum Steuern der Bewegungen des Gegengewichtes 51 ausnutzen. Diese Ausführungsvariante, die zu einer Verminderung der über die Schutzwand vorstehenden Teile führt* da sie das Gegengewicht 51 näher an die Schutzwand heranbringt, kann in gewissen Fällen von Vorteil sein.

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Claims

Patentansprüche

(1.) Telemanipulator mit einem Steuerarm und einem Arbeitsarm, die an einander entgegengesetzten Enden eines Wanddurchführungsrohres angelenkt sind und jeweils aus mindestens zwei Gliedern bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der einander in ihrer Bewegung entsprechenden Glieder im Steuerarm und im Arbeitsarm unterschiedlich ist.

2. Telemanipulator nach Anspruch 1, bei dem der Arbeitsarm ein erstes und ein zweites Glied besitzt, die vom Wanddurchführungsrohr ausgehend in dieser Reihenfolge angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerarm anschließend an sein Gelenk am Wanddurchführungsrohr der Reihe nach ein oberes zweites HalbgÜed, welches das zweite Glied des Arbeitsarmes steuert, ein erstes Glied, welches das erste Glied des Arbeitsarmes steuert, und ein unteres zweites Halbglied aufweist, das in unveränderlicher Winkellage zu dem oberen zweiten Halbglied gehalten ist.

5. Telemanipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das untere und das obere zweite Halbglied parallel zueinander gerichtet sind.

4· Telemanipulator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Steuern der Bewegung des zweiten Gliedes des Arbeitsarmes eine Steuereinrichtung mit einem in sich geschlossenen flexiblen Übertragungselement vorgesehen ist, das zwecks Drehung des zweiten Gliedes des Arbeitsarmes um seine Anlenkstelle am ersten Glied über eine am zweiten Glied befestigte RoIIe^ und weiterhin über eine auf dem ersten Glied an dessen Anlenkstelle am Wanddurchführungsrohr angebrachte Rolle und eine an dem oberen zweiten Halbglied des Steuerarmes sitzende Rolle läuft, die durch dieses HalbgÜed um dessen Anlenkstelle am Wanddurchführungsrohr drehbar ist.

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5. Telemanipulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zum Bewegen des ersten Gliedes des Arbeitsarmes ein in sich geschlossenes flexibles Übertragungselement aufweist, das zwecks Drehung des ersten Gliedes des Arbeitsarmes um seine Anlenkstelle am Wanddurchführungsrohr über eine am ersten Glied des Arbeitsarmes befestigte Rolle und weiterhin über eine am oberen zweiten Halbglied des Steuerarmes an dessen Anlenkstelle am Wanddurchführungsrohr angebrachte Rolle und eine auf dem ersten Glied des Steuerarmes sitzende Rolle läuft, die durch das erste Glied des Steuerarmes um dessen Anlenkstelle an dem oberen zweiten

Halbglied drehbar ist. ™

6. Telemanipulator nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verändern der Arbeitstiefe des Arbeitsarmes eine Verstellvorrichtung vorgesehen ist, die einen Satz von zwecks Änderung der Länge des oder der Stränge mindestens einiger der flexiblen übertragungselemente entlang einer zur Achse des Wanddurchführungsrohres senkrechten Richtung um im Absolutbetrag gleiche.in der Richtung einander entgegengesetzte Strecken für zwei Stränge desselben übertragungsorgans bewegliche Rollen enthält.

7. Telemanipulator nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Arbeitsarm und für den Steuerarm jeweils eine A eigene Gleichgewichts einrichtung vorgesehen ist, die jeweils andern dem rm entsprechenden Ende des Wanddurchführungsrohres angebracht ist.

8. Telemanipulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichgewichtseinrichtung für den Arbeitsarm ein Gegengewicht aufweist, das durch einen von den Umlenkrollen der Verstellvorrichtung betriebenen Mechanismus in einer zu dem Ende des Arbeitsarmes homothetischen-Lage gehalten ist.

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