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Die Erfindung betrifft ein Drehgelenk für Manipulatoren, mit welchem ein Gelenkarm gegen- über einem andern verschwenkbar ist.
Bei Manipulatoren herkömmlicher Bauart sind jeweils zwei Arme über ein einziges Drehgelenk miteinander verbunden, wobei die Relativbewegung des einen Armes gegenüber dem andern in der Regel nur in einer Ebene stattfindet. Wird zusätzlich eine Bewegungsmöglichkeit eines Armes bzw. eines daran befestigten Arbeitsmechanismus aus der einen Ebene heraus gefordert, dann muss ein zweites Gelenk für die Bewegung des Armes in einer zweiten Ebene angeordnet werden, das durch einen Zwischenarm vom ersten Gelenk distanziert ist.
Eine solche Anordnung hat in manchen Anwendungsbereichen den Nachteil, dass der Raum, in welchem sich der Arbeitsmechanismus bewegen kann, eingeschränkt und die Steuerung der Bewegungsabläufe verkompliziert wird. Ausserdem erhöht der zusätzliche Zwischenarm das Gewicht der Anordnung.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Drehgelenk für Manipulatoren zu schaffen, das die vorstehend geschilderten Nachteile nicht aufweist und die Möglichkeit eröffnet, dass der Arm des Gelenkes sich nach allen Richtungen bewegen kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass das Gelenk zwei senkrecht aufeinanderstehende, einander durchsetzende, kreisringförmige Räder aufweist, die an den Innenflächen ihrer zentralen Ausnehmung einstückig miteinander verbunden sind, und beide Räder beidseitig vorstehende zylindrische Gleitflächen aufweisen, mit denen sie in je einem Gehäuse drehbar gelagert sind, welches Gehäuse auch das Antriebselement enthält, wobei jeweils das Gehäuse des einen Rades die zentrale Ausnehmung des andern Rades durchsetzt.
Der Vorteil des erfindungsgemäss ausgestalteten Drehgelenks für Manipulatoren liegt darin, dass ein Zwischenarm entfällt und dass es sich in seinen Eigenschaften denen eines sogenannten idealen Gelenks, wie es beispielsweise ein Kugelgelenk wäre, bei dem sich die Achsen der Arme stets in einem Punkt schneiden, ziemlich annähert, da die Achsen der Arme sehr knapp aneinander vorbeilaufen, was bedeutet, dass ihr kürzester Abstand jedenfalls noch innerhalb der Konstruktion des Gesamtgelenks liegt, wodurch ein Schwenkbereich des jeweils verschwenkbaren Armes allseitig von mindestens 180 , typisch jedoch bis 240 , erreicht wird.
Die Erfindung kann in mehreren Ausführungsformen verwirklicht werden. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist jedes Rad als Schneckenrad ausgebildet, das in eine Antriebsschnecke eingreift, die in dem jedem Rad zugeordneten Gehäuse gelagert ist.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel ist jedes Rad als Kettenrad ausgebildet, und das Antriebselement ist eine Rollenkette, deren Enden mit im Gehäuse beweglich gelagerten Kolben über Kolbenstangen verbunden sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse jedes Rades als Gehäuse eines Drehwinkelmotors für ein hydraulisches oder pneumatisches Arbeitsmedium ausgebildet ist, wobei das den Innenraum umschliessende Gehäuse einen ringförmigen Hohlraum bildet, auf dessen inneren rohrförmigen Teil ein hülsenförmiger Teil des Rades mit der Gleitfläche drehbar gleitet und mit einem Flügelkolben versehen ist, dessen Form dem inneren Querschnitt des ringförmigen Hohlraumes angepasst ist und der Arm einen in das Gehäuse hineinreichenden Fortsatz trägt, dessen Gestalt der des Flügelkolbens entspricht, und im Gehäuse beiderseits des Armes Ein- und Auslassöffnungen für das Arbeitsmedium vorgesehen sind.
In der folgenden Beschreibung soll die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen Fig. l ein erstes Ausführungsbeispiel schematisch in Schnittdarstellung, Fig. 2 dasselbe, jedoch in der Ansicht um 900 gedreht, wobei ein Arm um 450 verschwenkt dargestellt ist, Fig. 3 in räumlicher Darstellung die beiden miteinander verbundenen Räder, Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel schematisch im Schnitt, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel, ebenfalls in schematischer Schnittdarstellung, bei der das Gelenk und der Antrieb als Einheit ausgebildet sind, und Fig. 6 das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5, jedoch um 900 gedreht und mit einem um 450 verschwenkten Arm.
Bei dem in Fig. l dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden senkrecht aufeinanderstehenden, einander durchsetzenden, kreisförmigen Räder --1-- als Schneckenräder ausgebildet.
Sie sind innerhalb ihres Durchbruches --2-- an der mit --3-- bezeichneten Stelle fest miteinander
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verbunden, u. zw. in der Weise, dass der Zahnkranz sowie die Gleitfläche --8-- des einen Schnekkenrades jeweils durch die kreisförmige Ausnehmung --2-- des andern Schneckenrades hindurchgehen. Die Schneckenräder --1-- sind jeweils von einem Gehäuse --4-- umgeben, in welchem die Räder --1-- mit ihren Gleitflächen --8-- in der Gehäusewand gelagert sind. Jedes Gehäuse --4-- des einen Rades --1-- durchdringt die zentrale Ausnehmung des andern Rades.
Jedes Gehäuse --4-- weist ausserdem eine Kammer auf, in der eine Antriebsschnecke --5--, die mit dem Rad--1- kämmt, untergebracht ist.
Der Antrieb der Schnecke --5-- kann in beliebiger Art vorgenommen werden. Zweckmässig verwendet man elektro-hydraulische oder elektro-pneumatische Motoren.
Setzt man voraus, dass in Fig. l der linke Arm feststehend ausgebildet ist und die in der Zeichnung links liegende Schnecke --5-- über die Welle --6-- zum Rotieren gebracht wird, überträgt sich die Drehbewegung auf das linke Schneckenrad, das ja bei --3-- fest mit dem linken Schneckenrad verbunden ist, eine Winkelbewegung in der Zeichenebene ausführt. Wird hingegen das rechte Schneckenrad angetrieben, dann bewegt sich das linke Schneckenrad aus der Zeichenebene heraus. Zum besseren Verständnis wurde vorstehend angenommen, dass jeweils nur ein Schneckenrad angetrieben wird. Es ist jedoch offensichtlich, dass beide Schneckenräder-l-auch gleichzeitig und gegbenenfalls mit verschiedenen Geschwindigkeiten angetrieben werden können, was zu einer räumlichen Bewegung des nicht feststehenden Armes --7-- führt.
Fig. 2 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel wie Fig. l, jedoch in einer um 90 verdrehten Ansicht, wobei der rechte Arm --7-- um etwa 450 verschwenkt dargestellt ist.
Um die Verbindung der beiden kreisringfömigen Räder --1--, die bei allen Ausführungsbeispielen vorgesehen ist, klar herauszustellen, sind in Fig. 3 die beiden Räder-l-als wesentliche Einheit der Erfindung in räumlicher Darstellung veranschaulicht. Mit --3-- ist die Verbindungsstelle bezeichnet, an der die beiden Räder einstückig miteinander verbunden sind. Die beidseitig vorstehenden zylindrischen Gleitflächen --8--, mit denen jedes Rad im Gehäuse --4-- nach Art eines Gleitlagers gelagert ist, sind dick ausgezogen eingezeichnet.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, bei dem die in Fig. l mit-1-bezeichneten Räder als Kettenräder --9-- ausgebildet sind, die von einer Rollenkette --11-- in Umdrehung versetzt werden können. Die geometrische Anordnung der beiden Kettenräder --9-- ist dieselbe wie bei dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel und so miteinander verbunden, wie dies in Fig. 3 gesondert dargestellt ist. Die Rollenkette --11-- ist an ihren beiden Enden jeweils mit der Kolbenstange --12-- eines Kolbens --13-- eines hydraulischen oder pneumatischen Zylinders verbunden.
Umlenkrollen --10-- sorgen für eine richtige Führung der Kette --11-- im Bereich der Kettenräder --9--. Da die Gleitfläche --8-- bei den beiden bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sowohl in der Längs- als auch in der Querrichtung belastet wird, kann es vorteilhaft sein. an diesen Stellen Kegelrollen- oder auch Pendelrollenlager vorzusehen.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Gelenk und der Antrieb als eine Einheit ausgebildet sind. Dieses Ausführungsbeispiel stellt sich im wesentlichen als Kombination zweier Drehwinkelmotoren mit hydraulischem oder pneumatischem Antrieb dar. An Stelle der bei Drehwinkelmotoren üblichen Vollwelle sind die hier verwendeten Drehwinkelmotoren mit einer Art Hohlwelle - ausgerüstet, die man in diesem Falle auch als Innenring bezeichnen kann, so dass die zentrale Ausnehmung --2-- bestehen bleibt, wie dies auch bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen der Fall ist. Auf dem Innenring --17-- ist eine Gleitfläche --18-- ausgebildet, die zugleich die Abdichtung zur Verhinderung des Austrittes des Arbeitsmediums übernimmt.
Auf dem
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Rad umschliesst, ist mit --15-- bezeichnet und stellt die Zylinderwand des Drehwinkelmotors dar, an der der Flügelkolben --19-- gleitet und die wieder mit der Gleitfläche --18-- ein Gleitlager bildet, wobei an dieser Stelle auch die Abdichtung gegen einen Austritt des Arbeitsmediums (Öl oder Luft) erfolgt. Mit --16-- ist ein Gegen- oder Anschlagkolben bezeichnet, welcher zwischen den Ein- bzw. Auslässen --20-- für das Arbeitsmedium auf dem Arm --7-- angebracht ist und dessen Gestalt jener des Arbeitskolbens-l-entspricht.
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Fig. 6 zeigt das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel um 900 verdreht dargestellt, wobei der rechte Arm --7-- wieder um etwa 450 verschwenkt eingezeichnet ist.
Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist bei allen Ausführungsbeispielen dasselbe, sie unterscheiden sich lediglich durch die Art des Antriebes. Wesentlich ist die Verschränkung der beiden Räder und ihre feste Verbindung innerhalb ihrer zentralen, kreisförmigen Ausnehmung. Setzt man voraus, dass ein Arm feststehend ist, kann sich der andere Arm innerhalb eines kegelförmigen Raumes bewegen, dessen Öffnungswinkel bis zu etwa 240 betragen kann. Das erfindungsgemässe Drehgelenk ermöglicht daher die Herstellung von Manipulatoren, deren Arbeitswerkzeuge in einem weiten Bereich platzsparend eingesetzt werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Drehgelenk für Manipulatoren, mit welchem ein Gelenkarm gegenüber einem andern verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk zwei senkrecht aufeinanderstehende,
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hende zylindrische Gleitflächen (8,18) aufweisen, mit denen sie in je einem Gehäuse (4,15) drehbar gelagert sind, welches Gehäuse, auch das Antriebselement (5,11, 19) enthält, wobei jeweils das Gehäuse (4,15) des einen Rades die zentrale Ausnehmung (2) des andern Rades durchsetzt.
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The invention relates to a swivel joint for manipulators with which one articulated arm can be pivoted relative to another.
In the case of manipulators of conventional design, two arms are connected to one another via a single swivel joint, the relative movement of one arm relative to the other generally only taking place in one plane. If, in addition, the possibility of moving an arm or a working mechanism attached to it from one level is required, then a second joint for the movement of the arm must be arranged in a second plane, which is spaced from the first joint by an intermediate arm.
In some areas of application, such an arrangement has the disadvantage that the space in which the working mechanism can move is restricted and the control of the movement sequences is complicated. In addition, the additional intermediate arm increases the weight of the arrangement.
The object of the invention is therefore to create a rotary joint for manipulators which does not have the disadvantages described above and which opens up the possibility that the arm of the joint can move in all directions.
To achieve this object, it is provided according to the invention that the joint has two mutually perpendicular, interpenetrating, annular wheels which are integrally connected to one another on the inner surfaces of their central recess, and both wheels have cylindrical sliding surfaces projecting on both sides, with which they are each in a housing are rotatably mounted, which housing also contains the drive element, the housing of one wheel in each case passing through the central recess of the other wheel.
The advantage of the swivel joint designed according to the invention for manipulators lies in the fact that an intermediate arm is omitted and that its properties approximate those of a so-called ideal joint, such as it would be a ball joint, in which the axes of the arms always intersect at one point , because the axes of the arms run very close to each other, which means that their shortest distance is still within the construction of the overall joint, which means that the swiveling arm of the respective swiveling arm is reached on all sides by at least 180, but typically up to 240.
The invention can be implemented in several embodiments. In a first exemplary embodiment, each wheel is designed as a worm wheel which engages in a drive worm which is mounted in the housing assigned to each wheel.
In another embodiment, each wheel is designed as a chain wheel, and the drive element is a roller chain, the ends of which are connected to pistons movably mounted in the housing via piston rods.
A further exemplary embodiment is characterized in that the housing of each wheel is designed as a housing of a rotary motor for a hydraulic or pneumatic working medium, the housing surrounding the interior forming an annular cavity, on the inner tubular part of which a sleeve-shaped part of the wheel with the sliding surface can be rotated slides and is provided with a wing piston, the shape of which is adapted to the inner cross section of the annular cavity and the arm carries an extension extending into the housing, the shape of which corresponds to that of the wing piston, and inlet and outlet openings for the working medium are provided in the housing on both sides of the arm are.
In the following description, the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. 1 shows a first exemplary embodiment schematically in a sectional view, FIG. 2 shows the same, but rotated in the view by 900, an arm being shown pivoted by 450, FIG. 3 in a spatial representation the two wheels connected to one another, FIG. 4 a second exemplary embodiment schematically in section, FIG. 5 shows an exemplary embodiment, likewise in a schematic sectional view, in which the joint and the drive are designed as a unit, and FIG. 6 shows the exemplary embodiment according to FIG. 5, but rotated by 900 and pivoted by 450 Poor.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the two circular wheels --1-- which are perpendicular to one another and penetrate one another are designed as worm wheels.
They are firmly together within their breakthrough --2-- at the point marked --3--
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connected u. in such a way that the ring gear and the sliding surface --8-- of one worm wheel each pass through the circular recess --2-- of the other worm wheel. The worm wheels --1-- are each surrounded by a housing --4--, in which the wheels --1-- with their sliding surfaces --8-- are mounted in the housing wall. Each housing --4-- of one wheel --1-- penetrates the central recess of the other wheel.
Each housing --4-- also has a chamber in which a drive worm --5--, which meshes with the wheel - 1-, is housed.
The worm --5-- can be driven in any way. Electro-hydraulic or electro-pneumatic motors are expediently used.
Assuming that the left arm in Fig. 1 is stationary and that the worm on the left in the drawing --5-- is rotated via the shaft --6--, the rotary motion is transferred to the left worm wheel, which is firmly connected to the left worm wheel at --3--, performs an angular movement in the drawing plane. If, on the other hand, the right worm wheel is driven, the left worm wheel moves out of the drawing plane. For better understanding, it was assumed above that only one worm wheel is driven at a time. However, it is obvious that both worm wheels-l-can also be driven simultaneously and optionally at different speeds, which leads to a spatial movement of the non-stationary arm --7--.
FIG. 2 shows the same exemplary embodiment as FIG. 1, but in a view rotated by 90, the right arm being shown pivoted by approximately 450.
In order to clearly emphasize the connection of the two annular wheels --1--, which is provided in all exemplary embodiments, the two wheels-1-are illustrated in FIG. 3 as an essential unit of the invention in a spatial representation. With --3-- is the connection point at which the two wheels are integrally connected. The cylindrical sliding surfaces --8-- projecting on both sides, with which each wheel is supported in the housing --4-- in the manner of a sliding bearing, are drawn in thick lines.
In Fig. 4, an embodiment is shown schematically, in which the wheels designated by 1 in Fig. 1 are designed as sprockets --9--, which can be set in rotation by a roller chain --11--. The geometric arrangement of the two sprockets --9-- is the same as in the first described embodiment and is connected to one another as shown separately in FIG. 3. The roller chain --11-- is connected at both ends to the piston rod --12-- of a piston --13-- of a hydraulic or pneumatic cylinder.
Deflection rollers --10-- ensure correct chain guidance --11-- in the area of the sprockets --9--. Since the sliding surface --8-- is loaded both in the longitudinal and in the transverse direction in the two previously described exemplary embodiments, it can be advantageous. tapered or spherical roller bearings should be provided at these points.
Fig. 5 shows an embodiment in which the joint and the drive are formed as a unit. This embodiment is essentially a combination of two rotary motors with hydraulic or pneumatic drive. Instead of the solid shaft that is common with rotary motors, the rotary motors used here are equipped with a kind of hollow shaft - which in this case can also be called an inner ring, so that the central recess --2-- remains, as is also the case with the exemplary embodiments explained above. A sliding surface --18-- is formed on the inner ring --17--, which also acts as a seal to prevent the working medium from escaping.
On the
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Encloses the wheel, is labeled --15-- and represents the cylinder wall of the rotary motor, on which the wing piston --19-- slides and which again forms a slide bearing with the sliding surface --18--, at which point also the Sealing against leakage of the working medium (oil or air). With --16-- is a counter or stop piston, which is attached between the inlets and outlets --20-- for the working medium on the arm --7-- and whose shape corresponds to that of the working piston-l- .
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FIG. 6 shows the exemplary embodiment shown in FIG. 5 rotated by 900, the right arm being again shown pivoted by approximately 450.
The principle on which the invention is based is the same in all of the exemplary embodiments, the only difference being the type of drive. What is essential is the entanglement of the two wheels and their fixed connection within their central, circular recess. Assuming that one arm is stationary, the other arm can move within a conical space, the opening angle of which can be up to about 240. The swivel joint according to the invention therefore enables the production of manipulators whose working tools can be used in a wide range to save space.
PATENT CLAIMS:
1. swivel joint for manipulators, with which one articulated arm can be pivoted with respect to another, characterized in that the articulation has two mutually perpendicular,
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have cylindrical sliding surfaces (8,18) with which they are rotatably mounted in a housing (4,15), which housing, also contains the drive element (5,11, 19), the housing (4,15) one wheel penetrates the central recess (2) of the other wheel.