DE3431033C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Roboterhandgelenk gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Roboterhandgelenk wird beschrieben in der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE-PS 34 28 748.

Ein Handgelenk der vorgenannten Art soll eine große Orientierungskapazität haben. Unter Orientierungskapazität versteht man die Möglichkeit, ein Werkzeug innerhalb eines Raumabschnittes zu manövrieren. Bei einer Orientierungskapazität von R=0,8 ist ein maximaler Winkelausschlag des Handgelenks von ±135 Grad in allen Ebenen erforderlich, bezogen auf die Mittelachse des tragenden Roboterarms.

Für die Ausführung von Arbeiten wie beispielsweise Lichtbogenschweißen, Leimen, Kitten, Entgraten usw. in kastenförmigen Objekten, wie z. B. Autokarosserien, werden hohe Ansprüche an einen Industrieroboter gestellt.

Der Roboter muß mindestens sechs Achsen haben, damit das von ihm getragene Werkzeug in jede gewünschte Lage innerhalb des Arbeitsbereiches des Roboters gefahren werden kann und in jeder dieser Lagen jede beliebige Einstellung einnehmen kann. Normalerweise liegen drei Achsen im Roboter selbst, während die anderen drei Achsen im Handgelenk des Roboters liegen.

Der Roboterarm und das Handgelenk sollen hohl sein, damit ein Kanal für Kabel und andere Leitungen in dem Roboterarm und dem Handgelenk vorhanden ist. Dieser Kanal muß bei gebogenem Handgelenk einen großen Krümmungsradius haben und im übrigen so ausgebildet sein, daß Kabel und Leitungen schonend behandelt werden.

Für die Führung eines Werkzeuges oder Schweißmundstückes unter konstantem Winkel gegenüber einer Arbeitsfläche in einem Kasten ist ein Orientierungskapazität von R=0,8 erforderlich. Dies bedeutet, daß der Winkelausschlag des Handgelenks, wie oben bereits erwähnt, ±135 Grad oder mehr betragen muß.

Viele sechsachsige Industrieroboter haben heute Handgelenke mit drei Achsen. Nur einige haben einen hohlen Roboterarm und ein hohles Handgelenk mit drei Achsen. Mehrere haben Handgelenke mit einer Orientierungskapazität von R=0,8.

Bei dem in der älteren, nicht vorveröffentlichten DE-PS 34 28 748 beschriebenen Roboterhandgelenk ist in den drei gegeneinander abknickbaren Handgelenkteilen kein Hohlraum für die Durchführung eines Kabels vorhanden. Bei der anhand von Fig. 7 dieser Druckschrift beschriebenen Ausführungsform ist für das dritte (vordere) Handgelenkteil ein eigenständiger Antrieb nicht vorhanden. Vielmehr ist das vordere Handgelenkteil unmittelbar mit dem mittleren Handgelenkteil über Kegelzahnräder gekoppelt, so daß eine Drehung des vorderen Handgelenkteils um seine Längsachse dadurch bewirkt wird, daß das mittlere Handgelenkteil um seine Längsachse gedreht wird. Hierdurch wird erreicht, daß für drei verstellbare Handgelenkteile nur zwei Antriebswellen mit zugehörigen Antriebsmotoren erforderlich sind. Das am vorderen Handgelenkteil angeflanschte Werkzeug kann nicht relativ zum vorderen Handgelenkteil gedreht werden.

Aus der DE-OS 27 52 236 ist ein Roboterhandgelenk bekannt, welches ebenfalls drei Handgelenkteile hat, wobei jedes Handgelenkteil mit einem eigenen durch das Handgelenk geführten Antrieb versehen ist. Diese Antriebsmittel sind so ausgebildet, daß das Handgelenk einen weiten inneren Kanal hat, durch den Versorgungskabel für das Werkzeug hindurchgeführt werden können. Die Schwäche dieses Roboterhandgelenks besteht darin, daß seine Orientierungskapazität nur 0,5 (90°) beträgt. Das dritte (vordere) Handgelenkteil trägt zu der Vergrößerung der Orientierungskapazität nichts bei. Es ermöglicht lediglich eine Drehung des Werkzeuges um eine Längsachse, die im Verhältnis zum mittleren Handgelenkteil festliegt. Zur Erzielung eines hinreichend großen Krümmungswinkels des inneren Kanals ist eine unerwünschte Versetzung der Längsachse des Werkzeugs gegenüber der Längsachse des Handgelenks im gestreckten Zustand vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Roboterhandgelenk der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welchem das an dem Handgelenk befestigte Werkzeug bei relativ einfachem Aufbau des Handgelenks eine möglichst große Beweglichkeit aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein erstes Roboterhandgelenk gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Ein zweites Roboterhandgelenk gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 weist gemäß der Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 2 genannten Merkmale auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Roboterhandgelenke nach der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.

Die Ausführungsform gemäß Anspruch 1 hat den Vorteil, daß sie trotz einer hohen Orientierungskapazität für drei gegeneinander abknickbare Handgelenkteile nur mit zwei Antriebswellen auskommt. Dies wird dadurch erreicht, daß das dritte (vordere) Handgelenkteil unmittelbar mit dem ersten (hinte­ ren) Handgelenkteil gekoppelt ist und von diesem mitangetrieben wird. Diese Ausführungsform ermöglicht es zugleich, das Handgelenk mit einem weiten inneren Kanal und mit einem großen Krümmungsradius dieses Kanals herzustellen, so daß Leitungen verschiedener Art aus dem hohlen Roboterarm zu dem vom Handgelenk getragenen Werkzeug geführt werden können.

Gemäß der Erfindung ist das Handgelenk aus mehreren in Reihe zueinander angeordneten rotierenden Handgelenkteilen aufgebaut, von denen jedes um seine Achse drehbar ist. Ein erstes Handgelenkteil ist um eine erste Achse rotierbar. Ein zweites Handgelenkteil ist in dem ersten Handgelenkteil gelagert und um eine zweite Achse rotierbar, welche die erste Achse schneidet. Ein drittes Handgelenkteil ist in dem zweiten Handgelenkteil gelagert und um eine dritte Achse rotierbar, welche die zweite Achse schneidet. Das erste und das dritte Handgelenkteil sind mit Kegelzahnrädern zur Verbindung der Handgelenkteilen versehen. Die Kegelzahnräder können direkt miteinander oder evtl. über dazwischen eingefügte Ritzel miteinander im Eingriff stehen.

Bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 2 wird bei Aufrechterhaltung der hohen Orientierungskapazität von etwa 0,8 die Beweglichkeit des Werkzeuges dadurch weiter erhöht, daß ein weiterer Freiheitsgrad in Form einer Drehung des Werkzeuges um seine Längsachse relativ zum dritten Handgelenkteil geschaffen wird.

Zu diesem Zweck ist in dem dritten Teil des Handgelenks eine Werkzeugbefestigung um eine vierte Achse rotierbar angeordnet, welche die dritte Achse des Roboterarms schneidet. Es steht jedoch nichts im Wege, daß bei gewissen einfacheren Anwendungen des Roboters ein Werkzeug direkt auf dem dritten Teil des Handgelenks befestigt ist, wodurch man ein einfacheres Handgelenk erhält.

Das zweite Handgelenkteil ist mit Antriebsvorrichtungen über eine Antriebswelle in dem Roboterarm und Kegelradritzel auf dieser Antriebswelle und an dem zweiten Handgelenkteil verbunden. Die Werkzeugbefestigung in dem dritten Handgelenkteil ist zweckmäßigerweise mit Antriebsvorrichtungen in dem Roboter gekoppelt, und zwar über eine Antriebswelle in dem Roboterarm und einen dazwischenliegenden Zahnradgetriebe mit mehreren in Reihe angeordneten Kegelradritzeln in dem zweiten Handgelenkteil. Diese Kegelradritzel sind zweckmäßigerweise ringförmig ausgebildet, damit in dem Handgelenk eine durchgehende Öffnung oder ein durchgehender Kanal gebildet wird, durch welche/welchen Kabel und andere Leitungen zu dem Werkzeug, z. B. einem Schweißwerkzeug, geführt werden können. Es ist auch möglich, einen Antriebsmotor für die Werkzeugbefestigung in dem Handgelenk anzuordnen.

Anhand des in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines computergesteuerten Industrieroboters mit einem Handgelenk gemäß der Erfindung,

Fig. 2 und 3 einen Schnitt durch ein Handgelenk gemäß der Erfindung, wobei in Fig. 2 die äußere Achse des Handgelenks mit der Achse des äußeren Arms des Roboters zusammenfällt und in Fig. 3 die genannten beiden Achsen einen maximalen Winkel miteinander bilden.

In den Figuren bezeichnet 1 einen Industrieroboter mit sechs Drehachsen, drei in dem Roboter selbst und drei in dem Handgelenk. Auf dem Fundamentsockel 2 ist ein Stativ 3 rotierbar um eine Achse A-A gelagert. In diesem Stativ ist ein erster Arm 4 rotierbar um eine Achse B gelagert. Am äußeren Ende des ersten Arms ist ein zweiter Arm 5 rotierbar um eine Achse C gelagert. Das Stativ wird von einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung betätigt, der Arm 4 von der Antriebsvorrichtung 6 und der Arm 5 von einer Antriebsvorrichtung 7, deren Hauptteil von der Antriebsvorrichtung 6 verdeckt ist. Auf dem Arm 5 sind Antriebsvorrichtungen 8 für den Antrieb des Handgelenks 10 angeordnet.

Das Handgelenk 10 ist aus drei hintereinander angeordneten und im Verhältnis zueinander rotierbaren Handgelenkteilen 11, 12, 13 aufgebaut. Das erste Handgelenkteil 11 ist um eine Achse D-D rotierbar, das zweite Handgelenkteil um eine Achse E-E und das dritte Handgelenkteil um eine Achse F-F. Das gesamte Handgelenk 10 ist eine leicht austauschbare Einheit, da sein erstes Teil so ausgebildet ist, daß es mit einer in dem Roboterarm 5 mittels der Lager 14 gelagerten rohrförmigen Antriebswelle 15 verbunden werden kann.

Das Handgelenkteil 11 besteht aus einem Rohrstück 16 mit einem senkrecht zur Achse D-D abgeschnittenen Ende, das mit einem Gewindeflansch 17 und einem mit dem Rohrstück 16 mittels Bolzen 18 verbundenen Ring 20, der einen Sitz für die Lager 21 und 22 bildet, versehen ist, und einem senkrecht zur Achse E-E schräg abgeschnittenen Ende, das einen Sitz für ein Lager 23 enthält. Das Handgelenk 10 wird mit der Antriebswelle 15 verbunden durch den Gewindeflansch 17 und einen auf dem Flansch 24 der Antriebswelle angebrachten Gewindering 25 sowie einen Arretierstift 26 zur Fixierung der Teile in der richtigen Winkellage zueinander. Ein ringförmiges Kegelzahnrad 27 ist mit dem Rohrstück 16 an dessen schräg abgeschnittenem Ende durch Bolzen 28 verbunden und bildet einen Fixierring für das Lager 23.

Das zweite Teil 12 des Handgelenks besteht aus einem an seinen beiden Enden schräg abgeschnittenen Rohrstück 30, das versehen ist mit Sitzen für das Lager 23, einem entsprechenden Lager 31 und den Lagern 32, 33, 34, 35, einem ringförmigen Kegelradritzel 37, das durch Bolzen 38 mit dem Rohrstück 30 verbunden ist und einen Fixierring für die Lager 23 und 32 bildet, einem Ring 40, der durch Bolzen 41 mit dem Rohrstück 30 verbunden ist und einen Fixierring für die Lager 31 und 33 bildet, und einer Schutzwand 42, die durch Befesti­ gungsvorrichtungen 43 mit dem Rohrstück 30 verbunden ist. Das zweite Teil 12 des Handgelenks 10 ist mit dem an der Buchse 45 befindlichen Kegelradritzel 44 verbunden. Die Buchse 45 ist in dem Ring 20 in den Lagern 21 und 22 gelagert und axial mit dem Ring 48 fixiert. Die Buchse 45 ist mit äußerer Nutung für die drehsichere Verbindung mit der mit inneren Nutung versehenen Rohrantriebswelle 50 versehen. Diese Antriebswelle 50 ist in dem Lager 51 innerhalb der Antriebswelle 15 gelagert.

Das dritte Teil 13 des Handgelenks besteht aus einem Kegelstumpf 52, der an der Basis schräg abgeschnitten ist und hier mit einem Sitz für das Lager 31 versehen ist. An seiner Spitze ist der Kegelstumpf 52 schräg im Verhältnis zu seiner Achse G-G abgeschnitten und mit Sitzen für die Lager 53 und 54 versehen. Ferner gehört zum dritten Handgelenkteil 13 ein ringförmiges Kegelzahnrad 55, daß mittels Bolzen 56 mit dem Kegelstumpf 52 verbunden ist und das Lager 31 fixiert. Das Kegelzahnrad 55 steht mit dem Kegelzahnrad 27 des ersten Handgelenkteils 11 im Eingriff. Die Handgelenkteile 11 und 13 sind somit miteinander gekoppelt. Bei Drehung des Handgelenkteils 11 um die Achse D-D rotiert das Handgelenkteil 13 um die Achse F-F.

In dem dritten Teil des Handgelenks befindet sich eine um die Achse G-G rotierbare Werkzeugbefestigung 57. Diese besteht aus einer Buchse 58, die in den Lagern 53 und 54 gelagert ist und an ihrem achsial inneren Ende mit einem Kegelradritzel 60 versehen ist. Auf der Buchse 58 befindet sich ein achsial verschiebbarer Befestigungsring 61 zum Tragen eines Werkzeugs sowie ein Teil 62 und ein Befestigungsring 63 zur Fixierung der Buchse in den Lagern 53, 54 und zur Fixierung des Befestigungsringes 61 auf der Buchse 58. Die Werkzeugbefestigung 57 ist mit der in der Antriebswelle 50 mittels der Lager 64 gelagerten und mit innerer Nutung versehenen Antriebswelle 65 über die mit äußerer Nutung versehene Buchse 66, das auf dieser vorhandenen Kegelradritzel 67, die Kegelradritzel 68 und 69, die Buchse 70 mit den Kegelradritzeln 71 und 72, die Kegelradritzel 73 und 74 sowie das Kegelradritzel 60 an der Buchse 58 mechanisch gekuppelt. Die Buchse 66 ist in der Buchse 45 mittels der Lager 75 und 76 gelagert und mit dem Arretierring 77 fixiert. Die Ritzel 68 und 69, die Buchse 70 und die Ritzel 73 und 74 sind mittels der Lager 32, 34, 35 und 33 rotierbar in dem zweiten Handgelenkteil 12 gelagert. Die ringförmigen Ritzel 68 und 69 werden mit dem Gewinde eines inwändigen Abschnittes in dem ringförmigen Kegelradritzel 69 im Eingriff steht. Die ringfömrigen Kegelradritzel 73 und 74 werden von einem Gewindering 78 zusammengehalten, dessen Gewinde mit dem Gewinde eines inwandigen Abschnittes in dem ringförmigen Kegelradritzel 73 zusammenwirkt. Die Buchse 70 ist in achsialer Richtung mittels der Lager 34 und 35 und einem Arretierring 79 fixiert.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel fallen in der Stellung gemäß Fig. 2 die Handgelenkachsen D-D und G-G und die Zentrumsachse H-H des Handgelenkteils 12 zusammen. Die Winkel α und α′ zwischen den Achsen D-D und E-E zwischen den Achsen E-E und H-H sind gleich groß. Ferner sind die Winkel γ und γ′ zwischen den Achsen H-H und F-F und zwischen den Achsen F-F und G-G gleich groß und somit α=α′=γ=γ′. Der Winkel β beträgt 180-(α+γ), und bei α=γ ist β=180-2α. Bei α=α′=γ=γ′=35° wird κ=140°, und man erhält eine außerordentliche gute Zugänglichkeit, was besonders beim Schweißen in kastenförmigen Konstruktionen von großer Bedeutung ist.

Die beispielhaft genannten Größen der Winkel ergeben ein sehr zweckmäßiges und vielseitig anwendbares Handgelenk, doch können die Winkel innerhalb recht weiter Grenzen und auch in untereinander unterschiedlichen Größen gewählt werden.

Es ist möglich, die Werkzeugbefestigung 57 mit einem in dem Handgelenk 10 angeordneten separaten Antriebsmotor anzutreiben. Dieser Antriebsmotor kann beispielsweise in dem zweiten oder dritten Handgelenkteil 12 bzw. 13 angebracht werden. Die Antriebswelle 65 und die zwischen dieser und der Werkzeugbefestigung 57 vorhandene Einrichtung zur Kraftübertragung entfallen in diesem Falle, so daß durch den Wegfall mehrerer mechanischer Bauteile eine erhebliche Vereinfachung möglich ist. Es ist ferner möglich, daß Ritzel 74 durch eine Werkzeugbefestigung zu ersetzen. Ferner ist es vorstellbar, das kegelstumpfförmige Teil 52 des dritten Handgelenkteils 13 für einfachere Anwendungsfälle als Werkzeugbefestigung zu verwenden. Auch hierbei entfallen dann die Antriebswelle 65 und die dieser folgende Kraftübertragungseinrichtung.

Wie aus der Beschreibung und den Figuren hervorgeht, ist das Handgelenk hohl, so daß Kabel und Schutzgasleitungen und beispielsweise eine Leitung für einen Schweißdraht durch den Roboterarm und weiter durch das Handgelenk bis zur Arbeitsstelle geführt werden können. Ein besonderer Vorteil des Handgelenks gemäß der Erfindung besteht darin, daß der sich durch die ringförmigen Kegelradritzel 68, 69, 71, 72, 73 und 74 erstreckende Kanal beim Biegen des Handgelenks einen verhältnismäßig großen Krümmungsradius hat. Dieser Krümmungsradius ist größer als der entsprechender Kanäle bei bereits bekannten Handgelenken. Der Durchmesser des Kanals ist im Verhältnis zum Außendurchmesser des Handgelenks groß. Ein anderer wichtiger Vorteil besteht darin, daß bei der Rotation des Werkzeugs die hohle Antriebswelle 65 sowie sämtliche Bauteile, welche eine durch die Antriebswelle 65 und das Roboterhandgelenk geführte Verkabelung umschließen, sich in derselben Richtung drehen. Eine Torsion der Kabel wird daher vermieden, so daß die Abnutzung der Kabel gering bleibt. Ferner wird bei der Ausbildung des Handgelenks 10 das Biegemoment in günstiger Weise von Lagern und Ritzeln aufgenommen. Das Handgelenk ist daher sehr steif und ermöglicht die Erzielung einer großen Präzision bei der auszuführenden Arbeit.

Claims (9)

1. Roboterhandgelenk mit mehreren in Reihe angeordneten rotierbaren Handgelenkteilen, wobei ein erstes Handgelenkteil (11) um eine erste Achse (D-D) rotierbar ist, ein zweites Handgelenkteil (12), das an dem ersten Handgelenkteil (11) gelagert ist, um eine zweite Achse (E-E) rotierbar ist, welche die erste Achse (D-D) schneidet, und wobei ein drittes Handgelenkteil (13), das eine Werkzeugbefestigung (57) trägt, an dem zweiten Handgelenkteil (12) gelagert ist und um eine dritte Achse (F-F) rotierbar ist, welche die zweite Achse (E-E) schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Handgelenkteil (11) starr mit einem ersten Kegelzahnrad (27) verbunden ist, daß das dritte Handgelenkteil (13) starr mit einem zweiten Kegelzahnrad (55) verbunden ist und daß beide Handgelenkteile (11, 13) über die beiden Kegelzahnräder (27, 55) direkt oder über ein dazwischen eingefügtes Zahnrad miteinander im Eingriff stehen.

2. Roboterhandgelenk mit mehreren in Reihe angeordneten rotierbaren Handgelenkteilen, wobei ein erstes Handgelenkteil (11) um eine erste Achse (D-D) rotierbar ist, ein zweites Handgelenkteil (12), das an dem ersten Handgelenkteil (11) gelagert ist, um eine zweite Achse (E-E) rotierbar ist, welche die erste Achse (D-D) schneidet, und wobei ein drittes Handgelenkteil (13), das eine Werkzeugbefestigung (57) trägt, an dem zweiten Handgelenkteil (12) gelagert ist und um eine dritte Achse (F-F) rotierbar ist, welche die zweite Achse (E-E) schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß die vom dritten Handgelenkteil (13) getragene Werkzeugbefestigung (57) unabhängig vom dritten Handgelenkteil um eine vierte Achse (G-G) rotierbar ist, welche die dritte Achse (F-F) des dritten Handgelenkteils schneidet.

3. Roboterhandgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom dritten Handgelenkteil (13) getragene Werkzeugbefestigung (57) unabhängig vom dritten Handgelenkteil um eine vierte Achse (G-G) rotierbar ist, welche die dritte Achse (F-F) des dritten Handgelenkteils schneidet.

4. Roboterhandgelenk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugbefestigung (57) über ein Ritzel (60) an der Werkzeugbefestigung (57), in dem zweiten Handgelenkteil (12) rotierbar gelagerte Kegelradritzel (68, 69, 71, 72, 73, 74) und ein auf einer Antriebswelle (65, 66) sitzendes Kegelradritzel (67) mit einer Antriebsvorrichtung gekuppelt ist.

5. Roboterhandgelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelradritzel (68, 69, 71, 72, 73, 74) in dem zweiten Handgelenkteil ringförmig sind.

6. Roboterhandgelenk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten oder dritten Handgelenkteil (12, 13) ein Antriebsmotor zum Antrieb der rotierbaren Werkzeugbefestigung (57) angeordnet ist.

7. Roboterhandgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Handgelenkteil (11) zum Anschluß an eine in einem Rohrstück (5) rotierbar gelagerte Hohlwelle (15) vorgesehen ist.

8. Roboterhandgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Handgelenkteil (11, 12) und evtl. auch die Werkzeugbefestigung (57) über in einem tragenden Robotorarm (5) angeordnete konzentrische Antriebswellen (15, 50, 65) mit Antriebsvorrichtungen gekuppelt sind.

9. Roboterhandgelenk nach einem der Ansprüche 1 oder 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelzahnräder (27, 55) ringförmig ausgebildet sind und radial außerhalb des mittleren Handgelenkteils (12) miteinander in Eingriff stehen.