DE2014455A1

DE2014455A1 - Telemanipulator

Info

Publication number: DE2014455A1
Application number: DE19702014455
Authority: DE
Inventors: Ren£ Villepreux Le Guennec (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1969-03-31
Filing date: 1970-03-25
Publication date: 1970-10-08
Also published as: BE747269A; CH521206A; FR2038857A5; GB1281449A; US3601260A; ES378075A1

Description

Dipj..in₃. κ. LAMPRscHT ij.lo-i5«525Pfl5.5^H) :. - 25*2.1970

München 22, Steinsdörfstr. tO ; ' Ϊ; . ^; "

Commissariat d l'Sniergie! Ätomigüe, iE al· is

Teleraanipulator

Die Erfindung bezieht sioh auf einen Telemanipulatoi' mit einem Steuerarni, einem Folge- oder Arbeitsarm und eignem Wanddurchführungsrohr, das an seinen beiden Enden Schultergelenkhalterungen zweier für parallele Bewegungen miteinander gekuppelt« Armteile hat» die ihrerseits zwei koaxiale Rohretücke enthalten, von denen das eine an der zugehörigen Schulter angelenkt ist und dfta andere an sei-» nem Ende eine Ellbogengelenkhalterung für einen Unterarm

Telemanipulatoren sind bekannt, bei ihnen Bewegungen, .*r#Sche;,*:in\iOp«>3eite^4r.^::_;mit öineöt.Gre-'. !•nkarm an dmt einen Seitift einet^ :Viwd--;#±^Ä#----^eli^/--^üej^h* über ein Duroljtführiingsorgan auf eile andere Seit© 3er Wand zu einer ^w0it(Bn GifrlentearmänQrdtttmg üfeei^rÄgen^ diö der wem ten weitgehend gleicht und sawtllclie Bewegungen des b

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wegten und deshalb "Steuerarm" genannten Armes nachgemacht. Dieser durch die Wand hindurch gesteuerte Folgeoder Arbeitsarm trägt ein Werkzeug, meist in Form einer Greifzange, das zur Durchführung beliebiger Arbeiten in einer geschlossenen Zelle benutzt wird. '

Die Erfindung bezieht sich unter den Telemanipulatoren der eingangs geschilderten Art insbesondere auf solche Manipulatoren, bei denen de*r Steuerteil aus einem Armteil besteht, der normalerweise parallel zur Wand der Zelle liegt, über ein Schultergelenk mit einem Wanddurchführungsrohr verbunden ist, das senkrecht durch die Wand hindurchführt und sich um seine Achse drehen läßt] der Steuerarmteil hat an seinem Ende eine Ellbogengelenkhalterung, an die wiederum ein Unterarm angelenkt ist| dieser Unterarm hat an seinen Enden einen Betätigungsgriff und der Folgeoder Arbeitsarm eine dem Betätigungsgriff entsprechende Handhabungszange. Die Arne bzw, "Oberarme" des Telemanipulators bleiben in einer Anordnung der geschilderten Art während des Arbeiten« parallel zueinanderι aie befinden sich im allgemeinen in einer gleichen horizontalen Ebene, wenn die Trennwand vertikal ist* Die Bewegungen des gesamten Steuerarms werden in allen Fällen auf die entsprechenden Elemente des Folge- oder Arbeitearm·· durch Seile oder Ketten übertragen, die ihrerseits mit Seilscheiben oder Kettenrädern zusammenwirken, die an den Elementen der beiden Arme sitzen*

Um außer denjenigen Bewegungen, die «ine» Schwenken der Ober- oder Unterarme um ihre Schulter bew, Bllbogengelenke entsprechen, noch andere Bewegungen übertragen au können, insbesondere ein· Drehung des Ober- oder d·· Unterarmes um deren eigene Achsen, bestehen die·· Arm· des

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Telemanipulators aus rohrförmigen jsweiget^iiteii Elementen, deren Rohrs tu eke sich gegeneinander um die gemeinsame Achse dreixen lassen. So hat der Steuerarm bzw* Steuer-Oberarm ein erstes Rohrstück, das schwenkbar im Schultergelenk des Wanddur chftihrungsrohres gelagert ist und. ein zweitesj koaxial zum erstenRohrstück angeordnetes Rohrstück, das eine Drehbewegung gegenüber den änderen Elementen ausführen kann» An dem zweiten Rohrstück des Steuer-Oberarmes ist überdies eine Seilscheibe Vorgesehen, die zumindest eine Seilnut für ein Seil hat, das mittels anderer Seilscheiben, die an dem tianddurchführungsrohr sitzen, geführt wird und auf eine der ersten analoge Seilscheibe aufläuft, die an dem homologen Rohrstück des Folge- oder Arbeitsarmes sitzt. Unter diesen Bedingungen bewirkt die Drehung des zweiten Rohrstückes- des Steuerarmes -eine genau gleiche Drehung des zweiten Rohrstückes des Folge- oder Arbeitsarmes und infolgedessen eine homologe Dreh- oder Schwenkbewegung der entsprechenden Unterarme, wobei ganz einfach eine noch zulässige Torsion des oder der Übertragungsseile erfolgt. Eine analoge Anordnung ist außerdem für die Unterarme des Steuer- und Folge- oder Arbeitearmes vorgesehen, um von dem einen zum anderen die Drehbewegungen dieser Teile zu übertragen und homologe Bewegungen des Betätigungsgriffes am Steuerarm und der Zange am Arbeitsarm zu erzielen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Telemanipulatoren der zuletzt beschriebenen Art zu verbessern, insbesondere die Arbeitsbedingungen günstiger zu gestalten, indem eine Möglichkeit geschaffen wird, eine sich in einer "Tiefenbewegung" auswirkende Verschwenkung des Unterarmes des Folge- oder Arbeitsarinee relativ zu dem Steuer-Unterarm herbeizuführen, ohne die räumliche Jkage

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dieses Steuer-Unterarmes zu ändern; das heißt, es soll möglich sein, das zweite Rohrstück des Arbeits-Oberarmes, welches das Ellbogengelenk des entsprechenden Unterarmes trägt, um seine Achse zu drehen, ohne eine entsprechende Drehbewegung in dem Steuerarm zwischen dessen beiden entsprechenden Rohrstücken durchzuführen.

Die Erfindung, durch welche diese Aufgabe gelöst wird, besteht im wesentlichen darin, daß zwischen den beiden koaxialen Rohrstücken des Steuerarmes eine in den beiden Rohrstücken um deren gemeinsame Achse drehbare Hülse angeordnet ist, die sowohl eine Seilscheibe für zumindest ein Seil trägt, das durch das Wanddurohführungsrohr hindurch zu einer auf dem zweiten Rohrstück des Arbeitsarmes sitzenden Seilscheibe geführt ist, als auch einen Zahnkranz aufweist, der mit einer Schnecke im Eingriff steht, die von einem fest mit dem zweiten Rohrstück des Steuerarms verbundenen Getriebemotor antreibbar ist.

Außerdem hat nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgeraäße Telemanipulator Mittel zum dauernden Ausgleich bzw. Gewichtsausgleich der in sich gelenkigen Steuer- und Folge- bzw. Arbeitsarme; diese Ausgleichsmittel sind direkt mit den oben erwähnten Anordnungen derart verbunden, daß ein allgemeiner Gewichtsausgleich der gesamten Vorrichtung gegeben ist, unabhängig von der Verschwenkung in der Tiefe, die an dem Folge- oder Arbeitsarm relativ zu dem Steuerarm vorgenommen wird. Zu diesem Zweck ist der Steuerarm durch ein erstes Gegengewicht ausgeglichen, das fest mit dem ersten Rohrstück verbunden ist, und der Arbeitearm durch ein zweites, von dem ersten unabhängige» Gegengewicht, das fest mit der auf der drehbaren Hülse sitzenden Seilscheibe gekuppelt ist·

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Die folgende Beschreibung eines In der Zeichnung veranschäulichten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Telemanipulators dient der Erläuterung der Erfindung, ohne diese einzuschränken. In der Zeichnung zeigen»

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines in einer horizontalen Ebene geführtenSchnittes durch einen erfindungsgemäßen Manipulator}

Fig, 2 eine Aufsicht auf den horizontal liegenden

Steuerarm des Telemanipulators, teilweise geschnitten.

In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist mit eine vertikale Wand einer dicht'abgeschlossenen heißen Zelle bezeichnet, die ganz speziell zum sicheren Abschirmen von radioaktiven Produkten oder Gegenständen bestimmt ist; diese Wand besteht insbesondere aus Wandelementen 1a aus Blei oder anderem geeignetem Material ausreichender Dichte, das eine ausreichende Schutzwirkung gegeriüber Gammastrahlungen aufweist und an der Innenseite mit einer dichten metallischen Auskleidung 2 bedeckt ist, insbesondere aus Stahl, welche eine Verseuchung durch Alpha-Teilchen sicher verhindert» In der Fig, 1 liegt der Innenraum der durch die Wand 1 begrenzten Zelle auf der linken Seite der Zeichnung, der Außenraum liegt rechts; die Figur stellt einen Schnitt länge einer horizontalen Ebene durch die Trennwand dar, die hier al» vertikal vorausgesetzt iöt.

In an eich bekannter Welse ist in die Wand 1 ein Metallrahmen 3 eingebaut, der eine dichte Halterung für ein

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Schauglas h bildet, das einem an der Außenseite der Zelle stehenden oder sitzenden Operateur einen Einblick in das Zelleninnere gestattet. In die Wand 1 ist außerdem eine metallische Buchse 5 eingebaut, in der Wälzlager 6 und 7 angeordnet sind, die ihrerseits eine metallische Hülse 8 tragen, die gegenüber der Buchse 5 axial unverschiebbar gehalten ist,aber dank der erwähnten Wälzlager in der Buchse 5 um ihre Achse gedreht werden kann. In der Hülse ist ein Rohr 9 axial verschiebbar gelagert, das durch die " Wand 1 vollständig hindurchführt und an seinem äußeren Umfang Längsnuten 10 trägt, in die an der Hülse 8 gelagerte Rollen 11 eingreifen; auf diese Weise läßt sich das Rohr in der Hülse 8 axial verschieben und zusammen mit dieser Hülse 8 in der Buchse 5 um die gemeinsame Achse drehen* Eine an sich bekannte Blockiervorrichtung 12 gestattet es, das Rohrelement 9 in einer geeigneten axialen Stellung gegenüber der Hülse 8 festzuklemmen.

An dem einen und dem anderen seiner Enden hat das Rohr 9, das weiterhin als Wanddurchführungsrohr 9 bezeichnet wird, zwei Halterungen 13 und 14, von denen die erste außerhalb der heißen Zelle und die andere innerhalb der heißen Zelle liegt. In diesen Halterungen, die weiterhin als Schultergelenkhalterungen 13 bzw. 14 bezeichnet werden, sind zwei einander zumindest ähnliche Gebilde angelenkt, von denen das eine, das sich an der Außenseite der Zelle befindet, "Steuerarm" 15 und das an der Innenseite der Wand befindliche Gebilde Folge- oder.Arbeitsarm 16 genannt wird. Die Arme 15 bzw. 16 haben an ihrem anderen Ende je eine weitere Gelenkhalterung 17 bzw. 18, Diese Gelenkhalterungen werden "Ellbogengelenkhalterungen" genannt; an ihnen sind die "Unterarme¹¹ 19 bzw. 20 angelenkt, von denen der • Unterarm 19 des Steuerarmes an seinem freien Ende einen

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Betätigungsgriff 21 trägt, während der Folge- oder Arbeitsarm an seinem Unterarm 20 eine gelenkige Zange 22 aufweist. Die Oberarme 15 und i6 sind mit Hilfe eines Blockierungsorgans 50 parallel zueinander gehalten; sie sind normalerweise in der horizontalen Ebene angeordnet, die durch die Achse des Wanddurchführungsrohres 9 geht. Die Blockiervorrichtung 50 läßt sich lösen.;- um die Arme zu verschwenken.

Bei einer Anordnung der soeben geschilderten Art, die eine an sich bekannte Anordnung eines speziellen TeIemanipulators darstellt, sind die "Oberarme" 15 und 16 aus zwei koaxialen Rohrstücken zusammengesetzt, von denen das erste «im Schult er ge lenk 13 t>zw. 14 angelenkt ist, während das zweite die Ellbogengelenkhal.terurig 17 bzw. 1-8 trägt. Diese Ausführung gestattet es, durch Relativdrehung des ersten Rohrstückes in dem zweiten eine Schwenkung des Unterarmes 19 bzw· 20 in der vertikalen Ebene durchzuführen, die durch das entsprechende Ellenbogengelenk geht.

Der auf diese Weise konstruierte Telemanipulator gestattet das Ausnützen von sieben Freiheitsgraden, insbesondere t

- eine seitliche Bewegung des Handgelenks, der eine Pendelbewegung beider Unterarme entspricht,'die in ihren Eliehbogengelenken schwenken, aber parallel zueinander bleiben} -

- eine Bewegung des Handgelenks in Richtung der Tiefe und infolgedessen einer entsprechenden Bewegung der Zange, d. h. eine Bewegung in Richtung von der Wand weg oder auf die Wand der Zelle zu, was eine relative Drehung der beiden

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die Oberarme des Steuer- und des Arbeitsarmes bildende Rohretücke gegeneinander bedingt;

- eine Bewegung in Richtung der Höhe entsprechend einer vertikalen Verschiebung des Handgelenks, was über den Unterarm und den Oberarm eine Drehung des Wanddurchführungsrohres 9 und seiner Hülse 8 in den Wälzlagern in der Durchführung der Mauer bedingt, nachdem die eine Drehbewegung verhindernde Verriegelungsvorrichtung gelöst

fc worden ist;

- eine Azimut-Bewegung des Handgelenkes und der Zange durch entsprechende Drehung der Unterarme um ihre Symmetrieachsen, diese Unterarme bestehen wie die Oberarme aus zwei koaxialen Rohrstücken, die sich relativ zueinander um die gemeinsame Achse verdrehen lassen;

- eine Elevationsbewegung der Zange, entsprechend einer Schwenkbewegung des Handgelenks um sein Handgelenk selbst, das am Ende des Unterarms vorgesehen ist;

- eine Drehung der Zange um ihre Achse durch entsprechende Drehung im Steuerarm-Handgelenk;

- schließlich ein Zusammenpressen der Zangenbacken zum Ergreifen und Festhalten eines Objekts*

Gemäß der Erfindung hat nun der neue Telemanipulator eine Verbesserung, durch die es möglich ist, unter Beibehalten der oben erwähnten sieben Freiheitsgrade eine Verschwenkung des Arbeits-Unterarmes 20 gegenüber de» Steuer-Unterarm 19 in Richtung der Zellentiefe durchzuführen,

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ohne die relativen Lagen der Oberarme 15 und 16 zu ändern,

die parallel zueinander bleiben und gegebenenfalls auch parallel zur Wand 1 sein können.

Um diese relative Verschwenkung durchführen zu können, ist in den Oberarm 15 zwischen seine zwei Rohrstücke 23 und Zk, die koaxial und gegenseitig in der Verlängerung des anderen Rohrstückes angeordnet sind, unter Zwischenschalten von Wälzlagern 25 eine rohrförraige Hülse 26 eingefügt, welche die beiden Rohrstücke 23 und Zk in axialer Richtung fest miteinander verbindet, ohne ihre relative Drehung zu beeinträchtigen. Die Hülse Z6 trägt an ihrer Außenseite zwischen den beiden Rohrstücken 23 und Zk einen fest mit ihr verbundenen Zahnkranz 27, der mit einer Schnecke 28 im Eingriff steht; diese Schnecke ist mit der Ausgangswelle eines Getriebemotors 29 verbunden, der auf einer Halterung 30 sitzt, die ihrerseits fest mit dem zweiten Rohrstück Zk verbunden ist.

Auf der rohrförmigen Hülse Z6 sitzt außerdem parallel zum Zahnkranz 27 eine Seilscheibe 31, die in dem ausgewählten Ausführungsbeispiel zwei parallele Seilrillen 31a und 31t> aufweist, die zum Festlegen der Enden zweier Seile 32a und 32b dienen, die auf diese Seilscheibe in einander entgegengesetzten Richtungen aufgelegt sind. Diese Seile bzw. die Fortsetzungen dieser Seile sind vom Steuerarm 15 zum Arbeitearm 16 über eine Reihe von Umlenkrollen 33, Jk und 35 auf der Steuerarmeeite, 37 und 38 auf der Arbeltβarmeeite des Rohres 9 und durch dieses hindurchgeführt, um schließlich In zwei parallelen Seilrillen 39a und 39b einer Seilscheibe 39 gegensinnlg aufgewickelt und festgelegt zu sein, die der Seilscheibe 31 In bezug auf die Abmessungen und die Anordnungen entspricht,aber auf

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dem drehbaren Stück des Oberarms 16 des Arbeltsarmes sitzt. Dieser Oberarm 16 hat - wie bereits für einen Telemanipulator bekannter Art angegeben - ebenfalls zwei Rohrstücke kO und kl, die koaxial zueinander angeordnet sind und sich dank der zwischen ihnen angeordneten Lager 42 um die gemeinsame Achse gegeneinander verdrehen lassen.

Die Wirkungsweise des mit der erfindungsgemäßen Verbesserung versehenen Telemanipulators ergibt sich aus der beschriebenen Anordnung! Bei jeder Steuerbewegung des
Steuerarms 15 über den Unterarm 19 und das Handgelenk 21, die Insbesondere eine Drehung des Rohrstückes 24 um seine Achse nach sich zieht, ergibt sich eine Drehung der Seilscheibe 31 auf der Hülse 26 um einen gleichen Drehwinkel{ die Drehung des Rohrstücks 24 überträgt sich nämlich auf
diese Hülse über das selbstsperrende Getriebe aus dem Getriebemotor 29» der Schnecke 28 und dem Zahnkranz 27· Die Drehung der Seilscheibe 31 wird unmittelbar über die Seile 32a und 32b auf die Seilscheibe 39 übertragen, welche ihrerseits das Rohrstück kl des Arbeitsarmes 16 mitnimmt.
Daraus folgt für den Unterarm 20 des Arbeitsarmes eine
Schwenkbewegung, die genau gleich der Steuerbewegung des
Unterarmes 19 des Steuerarmes ist.

Um nun eine Winkelverschiebung zwischen den beiden
bisher parallel bewegbaren Unterarmen 19 und 20 durchzuführen, genügt es - wie leicht einzusehen ist - den Getriebemotor 29 laufen zu lassen, der über die Schnecke 28 den Zahnkranz 27 dreht und damit eine Drehung der rohrför migen Hülse 26 in dem Steuerarm 15 um einen beliebig einstellbaren Winkel bewirkt. Die hieran gebundene Drehung
der Seilscheibe 31 überträgt alch, wie vorher beschrieben, auf die Seilscheibe 39 und damit auf das Rohrstüok 41 des

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Arbeitsarmes 165 dadurch wird nun der Unterarm 20 des Arbeitsarmes 16 geschwenkt· Bei diesem Vorgang wird jedoch im Gegensatz zu dem vorher geschilderten Vorgang der Unterarm 19 des Steuerarmes unbeweglich bleiben, wodurch die gewünschte WinkelverSchwenkung zwischen den Unterarmen der beiden Arme des Manipulators erzielt wird.

Um nun unabhängig von der Relativstellung der Unterarme des Telemanipulators gegeneinander bei einer beliebigen Ausgangsstellung einen dauernden Gewichtsausgleich der beiden Armgelenkanordnungen zu erhalten, wird nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung eine Zusatzeinrichtung benutzt, die einen dauernden einzelnen Ausgleich des Steuerarmes einerseits und des Arbeitsarmes andererseits gestattete Wie in der Fig. 2 dargestellt, ist der gesamte Steuerarm mittels eines ersten Gegengewichts 43 ausgeglichen, das mit der äußeren Oberfläche des Rohrstückes 24 des Oberarmes 15 verbunden ist; dieses Gegengewicht 43 bewirkt den Gewichtsausgleich des Unterarmes 19 ganz unabhängig von dessen Lage in bezug auf die Achse des Armes. Ein zweites, vom ersten unabhängiges Gegengewicht 44 ist außerdem fest mit der äußeren Fläche der Hülse. 26 verbunden, zwischen dem Zahnkranz 27 einerseits und der Seilscheibe 31 andererseits· Dieses zweite Gegengewicht 44, das infolgedessen drehfeet mit der Hülse Z6 verbunden ist, bestimmt so oder ergibt so den dauernden Gewichtsausgleich des Unterarmes 20 des Arbeitsarmes relativ zu dem Steuerarm 15, ganz unabhängig von seiner Lage·

Selbstverständlich ist die Erfindung In keiner Weise auf Einzelheiten des soeben ausfuhrlich beschriebenen Aueführungebeispiels beschränkt! die Erfindung umfaßt auch

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sämtliche für einen Fachmann naheliegenden Abwandlungen. Insbesondere könnte man das den Arbeitsarm ausgleichende Gegengewicht auf dem Durchführungsrohr anordnen und es unmittelbar über das Steuerseil bewegen.

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Claims

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Patentansprüche

( 1./Telemanipulator mit einem Steuerarm, einem Folgeoder Arbeitsarm und einem Wanddurchführungsrohr, das an seinen beiden Enden Schultergelenkhalterungen zweier für parallele Bewegungen gekuppelter Armteile hat, die zwei koaxiale Rohrstücke enthalten, von denen das eine an der zugehörigen Schulter angelenkt ist und das andere an seinem Ende eine Ellenbogengelenkhalterung für einen Unterarm trägt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden koaxialen Rohrstücken (23» 24) des Steuerarmes (15) eine in den beiden Rohrstücken um deren gemeinsame Achse drehbare Hülse (26) angeordnet ist, die sowohl eine Seilscheibe (31) für zumindest ein Seil (32a, 32b) trägt, das durch das Wanddurchführungsrohr (9) hindurch zu einer auf dem zweiten Rohrstück (4i) des Arbeitsarmes (16) sitzenden Seilscheibe (39) geführt ist, als auch einen Zahnkranz (27) aufweist, der mit einer Schnecke (28) im Eingriff steht, die von einem fest mit dem zweiten Rohrstück des Steuerarms verbundenen Getriebemotor (29) antreibbar ist.
2. Telemanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerarm durch ein erstes Gegengewicht (43) ausgeglichen ist, das fest am Rohrstüok (24) des Steuerarmee angeordnet ist, und zum Gewichtsausgleich des Arbeitearmes (16) ein zweites, von dem ersten unabhängiges Gegengewicht (44) vorgesehen ist, das fest mit der von der Hülse (26) getragenen Seilscheibe (31) verbunden ist.

3· Telemanipulator nach, den Ansprüchen 1 und 2, da-

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duroh gekennzeichnet, daß der Folge- oder Arbeitsarm (16) durch ein zweites Gegengewicht gewichtsmäßig ausgeglichen ist, das von dem Wanddurchführangsrohr (9) getragen und durch das durch dieses Rohr hindurchführende Seil (32a bzw. 32b) bewegbar ist.

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L e e r s e i t e