[B] (11) UTLEGNINGSSKRIFT JVr. 144289

[B] (11) UTLEGNINGSSKRIFT JVr. 144289 f SI (46) PiOTT MEDDELT NORGE [NO] (51) mr ei.' B 25 J 9/00 STYRET FOR DET INDUSTRIELLE RETTSVERN (21) Patentsøknad nr. (22) Inngitt (23) Løpedag 773861 11.11.77 11.11.77 (41) Ålment tilgjengelig fra 26.06.78 (44) Søknaden utlagt, ullegningsskrift utgitt 27.04.81 (30) Prioritet begjært 23.12.76, USA, nr. 753725 (54) Oppfinnelsens benevnelse Drivhode for manipulatorer (roboter). (71)(73) Søker/Palenthaver CINCINNATI MILACRON, 4701 Marbury Avenue, Cincinnati, OH 45209, USA. (72) Oppfinnet THEODORE HAHN STACKHOUSE, Cincinnati, OH, USA. (74) Fullmektig Bryns Patentkontor A/S, Oslo. (56) Anførte publikasjoner BRD (DE) off. skrift nr. 2619336 USA (US) patent nr. 3826383

1 144289 Foreliggende oppfinnelse angår drivhoder for manipulatorer eller mekaniske roboter, særlig fjernstyrte roboter med leddet fri arm og handledd. Roboter av denne art er velkjente og er benyttet på mange områder, blant annet til håndtering av eksplosiver og andre farlige stoffer, og til utførelse av arbeidsoppgåver på utrygge og uønskede arbeidsplasser, f.eks. i radioaktive omgivelser eller under vann. Senere og særlig etteråt datastyrt industriutstyr så dagens lys,er roboter i stadig større utstrekning blitt benyttet til å utføre utrygge og uønskede arbeidsoppgåver som tidligere ble utført av mennesker, noe som resulterte i lavere omkostninger og større arbeidseffektivitet. Den økte anvendelse kan delvis forklares med de dramatiske forbedringer i styresystemer i de senere år. Disse forbedrede styringsmuligheter øker mulighetene for utnyttelse av roboter som en maskin til alminnelig anvendelse,og gir roboten mulighet og fleksibilitet til å utføre en lang rekke forskjellige arbeidsoppgåver. Dagens styremuligheter gjør bruk av informasjoner som er programmert på forhånd og vanligvis kodet i numerisk form på hullbånd eller som magnetiske opptak til å instruere maskinen gjennom en serie av komplekse bevegelser som man må ha for utførelse av en bestemt arbeidsoppgåve. Båndene for disse styresystemer kan på en enkel måte lagres og settes inn i maskinen når det igjen blir nødvendig å utføre den spesielle arbeidsoperasjon. Den kostbare og tidkrevende oppstilling av den styrte maskin blir da unødvendig etteråt bandet eller registreringsmediet en gang er programmert og maskinen kan utføres som en maskin for alminnelig anvendelse, slik at den kan foreta de forskjelligste arbeidsoperasjoner. Den økende interesse for automatisk produksjonsutstyr til alminnelig anvendelse viser at man i fremtiden vil søke ennu større utbredelse av datastyrte industriroboter. De tidligere kjente roboter er vanligvis modifikasjoner av tre forskjellige typer. En av disse typer har armer og svingepunkt med en rekke svingbart understøttede segmenter og et enderedskap, f.eks. en gripeanordning eller en sveisebrenner som er festet til enden. En annen type har en rekke armer i

144289 2 kombinasjon med svingepunktet der endepunktet for armene forflytter seg langs aksene for armene i forhold til hverandre. En tredje robottype er den som er beskrevet i U.S. patent nr. 3.922.930 og 3.739.923, der det anvendes en rekke seriekoplede, dreibare aksler som har to eller flere akser for svingebevegelse om et felles punkt og akslene kan fjernstyres. Det er denne siste robottype foreliggende oppfinnelse er rettet mot, og oppfinnelsen angår spesielt drivhode. Drivhodet i henhold til oppfinnelsen har tre koaksialt anordnede drivaksler og tre drevne aksler,der den første av de drevne aksler er direkte forbundet med den første drivaksel, mens den annen drevne aksel er forbundet med en annen drivaksel ved hjelp av et tannhjul og den tredje drevne aksel er forbundet med den tredje drivaksel ved hjelp av en mellomaksel med tannhjul, der akslene for de tre drevne aksler skjærer hverandre i et punkt med en av disse akser felles for den første drevne aksel og de tre drivaksler, med en monteringsflate festet til den tredje drevne aksel, og oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den nevnte mellomaksel og den annen drevne aksel er anordnet på den nevnte annen akse som dessuten er orientert skrått i forhold til den første akse for den første drevne aksel. Med denne oppbygning blir drivhodet i stand til å utføre sammenhengende "rullinger". De sammenhengende "rullingers" rotasjon om akser som er parallelle med akseldelene, er mulig idet man ved oppbygningen unngår den mekaniske forstyrrelse av hverandre som man har i tidligere kjente drivhoder for roboter. Dette klart fordelaktige forhold er knyttet sammen med den orienteringsevne eller orienteringsmulighet den tredje eller mest fjerntliggende aksel har om et enkelt punkt som fremkommer ved at alle tre aksler skjærer hverandre i et enkelt punkt. En robot som er utstyrt med et drivhode i henhold til oppfinnelsen og har en tenkt kulesektor å bevege seg i når den roteres i rommet er i stand til å orientere en del perpendikulært på et hvilket som helst punkt på den tenkte kulesektor. Denne evne gjør at man unngår "hull" eller"tomrom i romorienteringen av endeverktøyet og robotens fleksibilitet blir økt.

144289 5 15 20 25 30 Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser, i perspektiv, en datastyrt industri- robot i en utførelse i henhold til oppfinnelsen, fig. 2 viser drivhodeseksjon på en robot som er vist på fig. 1, sett fra siden og i snitt, fig. 3 viser drivhodeseksjonen på fig. 2 sett fra siden og i snitt og med to av aksene dreiet fra den stilling som er vist på fig. 2, og fig. 4 viser skjematisk de hydrauliske motorer og forarmseksjonen på fig. 1, og man ser den drivmekanisme som benyttes for en foretrukken utførelse av drivhodet. På fig. 1 vises en robot 1 med styreapparat som er knyttet til roboten. Roboten 1 har et fundament 2 som er festet til gulvet. En skulder 3 er dreibart lagret på fundamentet 2 og har en overarmseksjson 4 som stikker ut. Et albueledd 5 forbinder overarmseksjonen 4 med en forarmseksjon 6. Innbyrdes bevegelse mellom armseksjonene 4 og 6 styres av en hydraulisk sylinder 7 som strekker seg fra sylinderen 3 til en gaffelbrakett 8 som står i avstand fra albueleddet 5. Forarmseksjonen 6 er egentlig et sett på tre konsentriske aksler som er dreibare uavhengig av hverandre ved hjelp av hydrauliske motorer 9a, 9b og 9c, som sitter på et motorhus 9d. Et drivhode 10 er knyttet til forarmseksjonen 6 på den ende som vender fra albueleddet 5. Drivhodet 10 som omfattes av oppfinnelsen bærer et endeverktøy eller gripeanordning 11 ved den frie ende. Tilhørende styreanordninger innbefatter en datakonsoll 12, og en hydraulisk drivenhet 13 er vist ved siden av roboten 1 og er tilkoplet på vanlig måte. På fig. 2 og 3 er drivhodene 10 vist i snitt og mer i detalj. Drivhodet 10 har et delt ytre hus 14 med husdelene 14a og 14b montert på robotens forarmdel 6. Husdelene 14a og 14b er begge montert på en ytre forarmaksel 15 når den førstnevnte del 14a er lagret 35 dreibart i forhold til både en ytre forarmaksel 15 og den komplementære husdel 14b, og er dreibar om en akse B-B'. Begge husdeler 14a og 14b er festet til den ytre forarmaksel 15 og

144289 4 5 ^ 1 ^ 20 25 og 35 er bevegelig sammen med denne når alle tre deler roterer om en andre akse A-A 1 14B er stiv. og festet mellom akselen 15 og husdelen Dreiebevegelsen av husdelen 14a om aksen B-B' kom i stand ved hjelp av en mellomliggende forarmaksel 16 som er konsentrisk med og ligger inne i den ytre forarmaksel 15. På samme måte som forarmakselen 15 er den mellomliggende aksel 16 dreibar om aksen A-A'. Den annen akse A-A 1 ligger skrått i forhold til den første akse B-B', det vil si at aksene eller deres projeksjoner skjærer hverandre i en skjev vinkel. Rotasjon av akselen 16 om aksen A-A' driver et konisk tannhjul 17 som sitter på akselen 16 og også er dreibart om aksen A-A'. Tennene på det koniske tannhjul 17 er i inngrep med tilsvarende koniske tenner 18 på husdelen 14a og driver den dreibare husdel 14a for overføring av rotasjonsbevegelse av akselen 16 om aksen A-A' til rotasjonsbevegelse av husdelen 14a om den skrått orienterte akse B-B'. Husdelen 14a har en dreibar plan monteringsflate 14c med en senterlinje C-C' skrått orientert i forhold til aksen B-B'. Endeverktøyet 11 er dreibart festet på monteringslaten 14C. Man ser da at husdelen 14a har flere funksjoner ved at den tjener som en drivaksel i tillegg til at den tjener som hus. Den tredje forarmaksel 19 i settet av konsentriske aksler 15,, 16 og 19 som er dreibare om aksen A-A' befinner seg inne i akselen 16 og er stivt forbundet med nok en drivaksel 20. Drivakselen 20 som også er dreibar om aksen A-A', strekker seg inn i huset 14. Det skulle være klart at akslene 19 og 20 kan kombineres til en enkel aksel. I den foretrukne utførelsesform for oppfinnelsen er det benyttet en massiv aksel 20 som strekker seg inn i huset 14 og en hui aksel eller et rør 19 som er stivt forbundet med akselen 20. På samme måte som forarmakselen 16 har drivakselen 20 et konisk tannhjul 21 festet ved den ende som stikker inn i huset 14. Det koniske tannhjul som er festet 21 er til i inngrep en innvendig med et aksel tilsvarende 23. Akselen konisk 23 tannhjul ligger 22 helt inne i huset 14. Både det koniske tannhjul 22 og akselen 23 er.dreibare om aksen B-B' og er konsentrisk med husdelen

5 144289 5 15 ^ 25 eller akselen 14a. De to sistnevnte aksler danner et andre sett av konsentriske aksler som står orientert skrått i forhold til det første sett av forarmaksler 15, 16 og 19. Motstående ender av akselen 20 er dreibart lagret i husakselen 14a og husdelen 14b ved hjelp av en passende lageranordning. Nær den ende av akselen 23 som vender fra det koniske tannhjul 22 finnes et ytterligere konisk tannhjul 24. Tannhjulet 24 er dreibart om aksen B-B 1 og er i drivforbindelse med ennu et konisk tannhjul 25. Det koniske tannhjul 25 er festet til en aksel 26 som er i ett med monteringsflaten 14c og denne er, med passende lagre, opplagret i husakselen 14a. Akselen 26 såvel som det koniske tannhjul 25, er dreiet om og er vist sammenfailende med senterlinjen C-C' for monteringsflaten 14c. Siden husakselen 14a seiv er dreiet om aksen B-B' og akselen 23 er lagret i denne husdel vil man se at akselen 26, såvel som dens rotasjonsakse C-C 1, dreier om aksen B-B 1 ved rotasjon av husakselen 14a. Denne rotasjon av aksen C-C' om aksen B- B' fremgår klart ved sammenlikning med den stiplede stilling av monteringsflaten 14c på fig. 2, slik situasjonen vil være ved rotasjon av husakselen 14a over en vinkel på 180 om aksen B-B'. Ennu klarere bilde av orienteringsmulighetene ved foreliggende oppfinnelse vil man få ved en sammenlikning av fig. 2 og 3. Fig. 3 viser drivhodet på fig. 2 med både akslene 15 og 14a dreiet 180. Som det skulle fremgå av den ovenstående beskrivelse vil hver enkelt aksel i satsen av konsentriske forarmaksler 15, 16 og 19 bevege endeverktøyet 11 som er festet til monteringsf laten 14c om forskjellige rotasjonsakser. Rotasjon 30 av forarmens drivaksel 15 dreier hele huset 14 om aksen A-A 1. Denne rotasjon gir også dreiebevegelser til akselen 14a om aksen B-B' på grunn av koplingen mellom de koniske tannhjul 17 og 19, og bevegelse av akselen 14a vil på sin side dreie monteringsflaten 14c om aksen C-C 1 ved hjelp av de koniske tannhjul 24 og 25. Forarmens drivaksel 16 overfører dreie- 35 bevegelse om aksen A-A 1 til dreiebevegelse om den skratt o orienterte akse B-B' gjennom det koniske tannhjul 17 og husdelen 14a. Denne bevegelse vil på samme måte overføre dreie-

144289 6 10 15 bevegelse til monteringsflaten 17c om aksen C-C 1 på grunn av koplingen mellom de koniske tannhjul 24 og 25. Rotasjon av forarmakselen 19 omformer rotasjonsbevegelse av drivakslene 19 og 20 til rotasjonsbevegelse av den skrått orienterte aksel 23 som på sin side omformer denne overførte dreiebevegelse til dreiebevegelse av akselen 26 om aksen C-C 1. I tillegg til dette, og dette skulle også fremgå klart ved sammenlikning av fig, 2 og 3, dreier drivakselen 15 aksen B-B' om aksen A-A', og rotasjon av den indre forarmaksel 16 roterer akselen 26 om aksen B-B'. Rotasjon av en eller flere av enkeltakslene 15 eller 16 i settet av konsentriske forarmaksler sørger for planetarisk bevegelse av endeverktøyet 11. Situasjonen på fig. 2 er slik at aksen C-C' faller sammen med aksen A-A 1. Som det fremgår av fig. 3 er dette spesielt for stillingen på fig. 2, I alle stillinger for den viste utførelsesform vil imidlertid aksene A-A', B-B 1 og C-C 1 skjære hverandre i et enkelt punkt P. Dette betyr blant annet at aksen C-C' og akselen 26 såvel som det påmonterte endeverk- 20 tøy 11, kan orienteres perpendikulært o på kuleflaten i et hvilket som helst punkt på den kuleflate som fremkommer ved den kombinerte bevegelse av de nevnte aksler. I de viste utførelsesformer er vinkelen A'PB' mellom aksen A-A 1 og B-B 1, såvel som vinkelen B'PC' mellom aksene B-B' og C-C' festet i en vinkel 25 som er større enn 45. Som en følge av dette vil den kulesektor som frembringes ved bevegelse av endeverktøyet være større enn en halvkule, og aksen C-C' kan orienteres perpendikulært på kuleflaten ved et hvilket som helst punkt på denne sektor. Det vil fremgå at orienteringen av aksen C-C 1 om et enkelt punkt P 30 er av største betydning for den perpendikulære orientering av aksen C-C' i et hvilket som helst punkt på den tenkte kulesektor uten "hull", dvs. områder der perpendikulæ orientering av aksen C-C' ikke er mulig. Den skrå orientering av aksen B-B' i forhold til aksen A-A' letter den mekaniske utførelse 35 og konstruksjon av visse akser som skjærer hverandre innbyrdes. Avvikelser fra det enkle skjæringspunkt for aksene kan gjøres meget små med tilsvarende små "hull" i den kuleflate som frembringes ved innstilling av endeverktøyet 11 i alle dets mulige

144239 7 5 stillinger. En liten avvikelse fra det enkle skjæringspunkt for aksene lettes ved den mekaniske utførelse idet aksene er orientert skrått på hverandre. Det skulle også være klart at små avvikelser fra dette skjæringspunkt er mulige og til og med kan være fordelaktige for noen anvendelser. Med disse avvikelser vil man imidlertid ikke få det fulle område for orientering som er muliggjort ved å anordne de tre akser slik at de skjærer hverandre i et enkelt punkt. Den skrå orientering av de tre akser A-A', B-B 1 og 10 C-C gjør det mulig for endeverktøyet 11 som er festet til monteringsflaten 14c på drivakselen 26,å bevege seg med retningskomponenter i enhver retning som er fastlagt av et innbyrdes perpendikulært trekoordinatsystem som har aksen P-A' som ordinat. Med andre ord, når det gjelder et referansesystem 15 (X,Y,Z) som har et ordinat X, sammenfallende med aksen P-A', en perpendikulær ordinat Y, (som på samme måte som X ligger i tegningens plan) og en innbyrdes perpendikulær ordinat Z (perpendikulær på tegningen) vil rotasjon av endeverktøyet om aksen B-B 1 sørge for bevegelseskomponenter i hver av retningene (X,Y og Z) fastlagt av det innbyrdes perpendikulære trekoordinatsystem. På liknende måte når aksen C-C 1 er dreiet om aksen B-B 1 og ikke faller sammen med aksen A-A', vil lik rotasjon av de konsentriske aksler 15 og 16 om aksen A-A' sørge for bevegelseskomponenter for endeverktøyet 11 i Y og Z retningene OP fastlagt av trekoordinatsystemet. Hver av de tre konsentriske forarmaksler 15, 16 og 19 dreies av hver sin hydrauliske motor 9a, 9b og 9c som er montert på robotalbuen 5 som vist på fig. 1. Den skjema- OQ tiske gjengivelse på fig. 4 viser den drivmekanisme som benyttes for å rotere drivakslene 15, 16 og 19 om aksen A-A'. Den hydrauliske motor 9a har en aksel 30 som stikker inn i motorhuset 9d. Akselen 30 driver et tannhjul 31 som er i inngrep med et tannhjul 32 på forarmakselen 15, den hydrauliske oc motor 9c har en aksel 33 og et tannhjul 34 som er i drivforbindelse med et tilstøtende tannhjul 35. Tannhjulet 35 står i aksial avstand fra tannhjulet 32 og er festet til forarmakslen 16 som stikker gjennom tannhjulet 32 og forbi enden av

144289 8 5 ^ forarmakslen 15. Den innerste. forarmakslen 19 drives på en tilsvarende måte av et tannhjul 36 fra et tannhjul 37 og en aksel 38 som koraner fra den hydrauliske motor 9b. Tannhjulet 36 står i aksial avstand fra tannhjulet 35 og er festet til forarmakslen 19 utenfor enden av forarmakslen 16. Det vil være klart for fagfolk på området på grunn av denne beskrivelse at i henhold til oppfinnelsen, overføres energi til et ledd som' etter valg kan stilles i forskjellige vinkler, og det skulle være klart at denne oppfinnelse har mange anvendelser på de forskjelligste områder, der det er behov for de beskrevne bevegelsesmuligheter. Patentkrav. 1. Drivhode for manipulatorer (roboter) med tre 15 koaksialt anordnede drivaksler og tre drevne aksler, der den første av de drevne aksler er direkte forbundet med den første drivaksel mens den annen drevne aksel er forbundet med den annen drivaksel ved hjelp av tannhjul, og den tredje drevne aksel er forbundet med den tredje drivaksel ved hjelp av 20 en mellomaksel med tannhjul, der aksene for de tre drevne aksler skjærer hverandre i et punkt med en av disse akser felles for den første drevne aksel og de tre drivaksler, og der en monteringsflate er festet til den tredje drevne aksel, k a r a k t e r i s e r t ved at den nevnte mellomaksel. 25 (23) og den annen drevne aksel (14a) er anordnet på den nevnte annen akse (B-B 1 )/ hvilken akse (B-B 1 ) er orientert skrått i forhold til den første akse (A-A 1 ) for den første drevne aksel (14b). 2. Drivhode som angitt i krav 1, k a r a k t e r i - 30 s e r t v e d at den tredje drevne aksel (26) ligger på en tredje akse (C-C 1 ) i forhold til den annen akse (B-B 1 ). 3. Drivhode som angitt i krav 2, k a r a k t e r i - s e r t ved at den tredje akse (C-C') står skrått i forhold til den annen akse (B-B'). 35 4. Drivhode som angitt i krav 3, k a r a k t e r i - s e r t ved at vinkelen mellom den første akse (A-A') og den annen akse (B-B').

9 144289 5. Drivhode som angitt i krav 4, k a r a k t e r i - s e r t ved at vinkelen mellom den akse (B-B 1 ) og den tredje akse (C-C) er fast.

144289