WO2006097485A1 - Vorrichtung zum bewegen und positionieren eines gegenstandes im raum - Google Patents

Vorrichtung zum bewegen und positionieren eines gegenstandes im raum Download PDF

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WO2006097485A1
WO2006097485A1 PCT/EP2006/060746 EP2006060746W WO2006097485A1 WO 2006097485 A1 WO2006097485 A1 WO 2006097485A1 EP 2006060746 W EP2006060746 W EP 2006060746W WO 2006097485 A1 WO2006097485 A1 WO 2006097485A1
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motor
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transmission
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Matthias Ehrat
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Matthias Ehrat
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears
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    • Y10T74/20—Control lever and linkage systems
    • Y10T74/20207—Multiple controlling elements for single controlled element
    • Y10T74/20305—Robotic arm

Definitions

  • the invention relates to a device for moving and positioning an object in the room according to the preamble of claim 1. It is a designated in the art as a robot with parallel kinematic or delta robot device.
  • US-A-4'976'582 A generic device for moving and positioning an object in space is shown in US-A-4'976'582.
  • This delta robot has a base element with three drives attached to the base element.
  • the three drives are arranged on the base element, that each one drive axis usually runs along one side of an equilateral triangle.
  • the first ends of three arms are pivotally arranged so that each arm is individually driven by a drive.
  • the second ends of the three arms are hingedly connected to a common support plate via a respective gimbal-mounted connection part or via a respective pair of rods mounted in ball pans.
  • Gripping means for example a suction cup, are arranged on this support plate in order to grip and hold the object to be moved.
  • a telescopic fourth axle which is driven by a fourth motor, is pivotally connected to the fourth motor mounted on the base member and the rotary leadthrough on the support plate.
  • delta robots are used in automated systems, in particular especially in the packaging and assembly industry, proven. They have the advantage of being able to move precisely between two positions at high speed and to approach these positions within a relatively large three-dimensional range.
  • the drive motors are coupled via a transmission with the individual arms.
  • These motor / gear units should also allow for fast start / stop operations in a small space a high reproductive positioning accuracy of the gripping means and there should be no shocks in a change of direction.
  • the gear units should have the lowest possible moment of inertia and no constraints, otherwise the required dynamics would be limited and high power losses occur, which lead to a strong heat. The gear should thus be low in play, allow rapid acceleration and have the smallest possible volume.
  • WO-A-03/106114 deals in detail with the problem of the known motor / gear units for fast positioning tasks with delta robots. In addition to the question of freedom from play, the objective of a quiet running behavior of the robot is also dealt with there.
  • WO-A-03/106114 is based on the finding that a transmission that is free of play exclusively in the end positions is not sufficient for the required running smoothness and positioning accuracy.
  • WO-A-03/106114 therefore proposes measures which affect the entire movement in the transmission. The measures consist in that strained gear stages are used and that these are advantageously mounted cohesively. However, the tension of the transmission causes unwanted constraints and increased heat.
  • the cohesive assembly allows one simplified manufacture of the transmission, but excludes its maintenance and results in the use of insufficiently moderate components to a poor vibration behavior due to imbalances and due to uneven friction on the movement.
  • WO-00/35640 uses a two-stage spur gear. Such an effect has an advantageous effect on the unwanted heat development.
  • the disadvantage is the height of the robot caused by the spur gear, which results in a worse natural frequency behavior and in an increased need for room height for the installation of the robot system.
  • a further disadvantage is that due to the space requirement of the motors and the spur gear, no installation space is available for further components, such as the control computer or the motor control units.
  • the control computer is already integrated into the robot today.
  • the robot from US Pat. No. 5,314,293 is also known in combination with an integrated control unit.
  • EP 1 '437' 162 A2 also knows a version with a larger installation space for a control unit. In this installation space can be a conventional robot control can be arranged.
  • Such integration is easy to implement in serial kinematics, as more installation space is available, the heat can be dissipated directly from the control unit to the environment and the vibration behavior is unproblematic due to the lower number of cycles.
  • the present invention aims to eliminate the constraints and heat buildup in the gear / motor units of a delta robot by using unrestrained gears and compact motors, thereby enabling full integration of the drive units, drive amplifiers and / or the control computer.
  • the inventive delta robot has three drive units, each with a gear whose at least one gear stage, or their components are set in the form-fitting assembly by targeted combination and fit of tight tolerances and moderate components to each other to compensate for manufacturing-related gear tolerances and its low-backlash over the ensure the entire range of motion.
  • the drive unit can be made very compact.
  • the non-strained gear stages are advantageously way coaxially connected to the drive motor.
  • planetary gears are suitable for this purpose.
  • the drive motor itself can be chosen to be compact due to the low moment of inertia and the restraint of the unstrained transmission.
  • a further aspect of the invention therefore relates to a device in which at least one control and / or regulating unit is arranged on the base element. Due to the preferred use of unstrained transmission units and their low friction losses, the required heat dissipation can be achieved even with completely integrated robots, which encompass the entire control and / or regulating unit and can also due to the low vibration and the required longevity of the control and / or Control unit to be ensured.
  • a completely integrated robot which also includes the required functions of the control and / or regulating unit, proves to be much easier to integrate into a complete robot system.
  • the control unit is usually built separately in a control cabinet. Between the control cabinet and the robot then several cables are laid. This common source of error and the work associated with cabling can be greatly reduced or eliminated by integrating the control unit into the robot.
  • the product feeds and product discharges can be controlled directly by the control unit of the integrated robot itself.
  • the sensors and cameras which are usually constructed in the immediate vicinity of the robot, can be connected to the control unit of the robot via a short signal cable, while additional complex wiring is necessary in the case of a separately constructed control cabinet.
  • Fig. 1 an illustration of a delta robot
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the engine (3b) and gear arrangement (3a) in a motor / gear unit (3) in a delta robot according to FIG. 1
  • FIG. 3 a detailed representation of the arrangement of the integrated control and / or regulating unit (17) in a delta robot according to FIG. 1
  • FIG. 4 shows a detailed representation of the arrangement according to FIG. 3 with control and / or regulating components (3c) additionally mounted on the motors (3b) in a delta robot according to FIG. 1 Description of the embodiment of the invention
  • a delta robot comprises a base element (1), three upper arms (4) which are rigidly connected at one end via a connecting flange (15) to the drive axle (2) of a motor / gear unit (3) and which at a second end (FIG. 16) with ball pans (6a, 6b) articulated with a pair of forearm bar (5) are connected. Further, the delta robot comprises a common support element (8), which is also connected to ball pans (7a, 7b) hingedly connected to the lower end of the three Unterarmstabprese (5a, 5b). On the support element (8) at least one gripping means or tool (9) for gripping or processing of an object is arranged.
  • a telescopic axis (14) arranged centrally with respect to the upper articulation point of the three actuation arrangements (13) is arranged, which is gimbal-connected to a drive (11) at the upper end and which at the lower end is gimbaled with the rotary feedthrough (10) of the gripper receptacle of FIG Supporting element (8) is connected.
  • the axles (2) of the three motor / gear units (3) firmly fixed to the base element usually form an equilateral triangle.
  • Each motor / gear unit (3) is here connected to the controller (12) shown outside the robot.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the motor / gear unit (3), which has in each case a motor (3b) and a gearbox (3a) connected coaxially to the motor (3b) and having an output axis.
  • a motor 3b
  • a gearbox 3a
  • bolt-welded planetary gear as described in DE-A-100 '58' 192 or tensioned planetary gear.
  • the planetary gear usually used in robotics with rollers for power transmission. These reach an output speed of at most 100 revolutions per minute. At higher speeds they lock themselves to prevent overheating.
  • the maximum permissible noise level of 70 dB is already achieved at 100 revolutions per minute with these planetary gears.
  • unstrained planetary gear which are mounted form-fitting and which are symmetrical. It should be noted that the required output speeds of up to 250 revolutions per minute can be reached quickly in reversing mode at 180 cycles per minute. This is achieved by a translation of at least 1:30 and at the same time high permissible speed at the lift. In order to achieve the required positioning accuracy, the game should ideally be in the range of between 1 'and 5'. Used are closely tolerated and unrestrained, possibly multi-stage precision planetary gearboxes. In these transmissions is ensured by the choice of materials and by the fit of the coaxially mounted transmission components, that the rolling of the planetary gears in the ring gear takes place even in highly dynamic cycle operation in the required accuracy without impact and without self-locking. In addition, by a cage design of the planet carrier, the torsional rigidity and thus the positioning accuracy can be increased.
  • the bearings of the planetary gears, the planet carrier and the sun gear must be fitted with a press fit in order to prevent shifts or play between the bearings and the planetary gears. permanently, or ideally to prevent, the planet carrier, and the sun gear.
  • noise generation can be kept permanently below 70 dB thanks to more complex helical gearing.
  • FIG. 1 An embodiment according to the invention is shown in FIG. Consistent with Figure 1, the motor / gear units (3) are arranged.
  • a control and / or regulating unit (17) is arranged, which is connected to the motor / gear units (3) and to the drive (11) of the fourth, telescopic axle (14).
  • a control unit may comprise the following elements:
  • Control computer for path planning of the robot, for the control of external peripherals and for the evaluation of sensors such as cameras, encoders or optical sensors
  • control computer is often referred to as a robot controller. Thanks to the use of compact industrial computers, the control computer can be accommodated in a small space.
  • the control unit itself in practice usually consists of three drive controllers - for example servo amplifiers - for the motors (3b) and possibly a fourth drive controller for the motor (11) constructed.
  • the power units for mostly three motor phases and the braking resistor with appropriately designed cooling elements include compact controller can be used, which are based on semiconductor and which of only a separate Rectifier can be supplied.
  • so-called "insulated gate bipolar transistors" or short IGBT elements are best suited for this purpose, as are the similarly constructed "metal-oxide semiconductor field-effect transistors" or short MOSFET elements for lower DC link voltages.
  • the control unit (17) can be built very compact.
  • the also required electrical braking resistor is ideally connected to the common DC link of all three or four drive axles and connected directly to the base element (1) thermally conductive, so that the Dissipations industrial does not have to be dissipated via separate cooling elements.
  • the short lines between the drive controllers and the drives also make it possible to easily control the electrical noise behavior.
  • FIG. 4 shows a further embodiment according to the invention.
  • a control and / or regulating unit (17) on the base element (1) is arranged here as well. This includes primarily the control computer.
  • further control and / or regulating components (3c) are arranged on the sides of the motors (3b) opposite the gears (3a). This tax and / or control components may process signals from the engine / transmission units and / or power the engine / transmission units.
  • the entire motor / gear unit (3) can be designed as a component consisting of gear, motor and drive controller. Accordingly, the assembly of the robot and the component replacement simplifies maintenance.

Abstract

Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum mit einem Basiselement (1), mit drei fest am Basiselement (1) angeordneten Motor/Getriebeeinheiten (3), mit drei Armen (4,5), welche an einem ersten Ende mit einem einzigen Freiheitsgrad je über einen Anschlussflansch (15) fest mit der Antriebsachse (2) einer Motor/Getriebeeinheit (3) verbunden sind und welche an einem zweiten Ende gelenkig mit einem gemeinsamen Tragelement (8) verbunden sind, an welchem mindestens ein Greifmittel (9) zum Greifen des Gegenstandes angeordnet ist. Am Basiselement (1) ist eine Steuer- und/oder Regeleinheit (17) angeordnet, welche die Bewegungsplanung des Tragelements (8) und die Regelung der Motor/Getriebeeinheiten (3) umfasst.

Description

Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um eine in der Fachwelt als Roboter mit Parallelkinematik beziehungsweise Deltaroboter bezeichnete Vorrichtung.
Stand der Technik
Eine gattungsgemässe Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum ist in US-A-4 ' 976 ' 582 gezeigt. Dieser Deltaroboter weist ein Basiselement mit drei am Basiselement befestigten Antrieben auf. Die drei Antriebe sind so auf dem Basiselement angeordnet, dass deren je eine Antriebsachse üblicherweise entlang je einer Seite eines gleichseitigen Dreiecks verläuft. An den drei Antrieben sind die ersten Enden von drei Armen schwenkbar angeordnet, so dass jeder Arm einzeln über einen Antrieb angetrieben ist. Die zweiten Enden der drei Arme sind über jeweils ein kardanisch gelagertes Verbindungsteil oder über jeweils ein in Kugelpfannen gelagertes Stabpaar mit einer gemeinsamen Tragplatte gelenkig verbunden. An dieser Tragplatte sind Greifmittel, beispielsweise ein Saugnapf, angeordnet, um den zu bewegenden Gegenstand zu ergreifen und zu halten. Eine teleskopartige vierte Achse, welche von einem vierten Motor angetrieben ist, ist gelenkig mit dem am Basiselement montierten vierten Motor und der Drehdurchführung auf der Tragplatte verbunden .
Diese Deltaroboter haben sich in automatisierten Anlagen, insbe- sondere in der Verpackungs- und Montageindustrie, bewährt. Sie haben den Vorteil, dass sie sich mit hoher Geschwindigkeit präzise zwischen zwei Positionen bewegen und diese Positionen innerhalb eines relativ grossen dreidimensionalen Bereichs anfahren können .
Üblicherweise sind die Antriebsmotoren über ein Getriebe mit den einzelnen Armen gekoppelt. Diese Motor/Getriebeeinheiten sollten auch bei schnellen Start/Stop-Vorgängen auf kleinem Raum eine möglichst hohe reproduktive Positioniergenauigkeit des Greifmittels ermöglichen und es sollten keine Schläge bei einem Richtungswechsel auftreten. Weiter sollten die Getriebeeinheiten ein möglichst geringes Trägheitsmoment und keine Zwängungen aufweisen, da sonst die geforderte Dynamik limitiert würde und hohe Verlustleistungen auftreten, welche zu einer starken Wärmeentwicklung führen. Das Getriebe sollte somit spielarm sein, eine schnelle Beschleunigung erlauben und ein möglichst kleines Volumen aufweisen.
WO-A-03/106114 geht detailliert auf die Problematik der bekannten Motor/Getriebeeinheiten für schnelle Positionieraufgaben mit Deltarobotern ein. Zusätzlich zur Fragestellung der Spielfreiheit wird dort insbesondere auch die Zielsetzung eines ruhigen Laufverhaltens des Roboters behandelt. WO-A-03/106114 geht von der Erkenntnis aus, dass ein ausschliesslich in den Endlagen spielfreies Getriebe für die geforderte Laufruhe und Positioniergenauigkeit nicht ausreicht. WO-A-03/106114 schlägt daher Massnahmen vor, welche sich über die gesamte Bewegung im Getriebe auswirken. Die Massnahmen bestehen darin, dass verspannte Getriebestufen eingesetzt werden und dass diese vorteilhafterweise Stoffschlüssig montiert werden. Die Verspannung der Getriebe verursacht jedoch nicht erwünschte Zwängungen und eine erhöhte Wärmeentwicklung. Die Stoffschlüssige Montage erlaubt zwar eine vereinfachte Herstellung des Getriebes, schliesst aber dessen Wartung aus und führt bei der Verwendung von nicht ausreichend masshaltigen Komponenten zu einem schlechten Schwingungsverhalten aufgrund von Unwuchten und aufgrund von ungleichmässiger Reibung über den Bewegungsablauf.
Zur Erreichung der erwünschten Spielfreiheit wird in EP lf 129 '829 Al ein mit einer gefederten Gegendruckrolle verspannter Zahnstangenantrieb verwendet, wobei sich die Bauhöhe aufgrund des Zahnstangenantriebs über die Basisplatte (1) hinaus erstreckt. Dies ist nachteilig, da sich das Eigenfrequenzverhalten der Aufhängevorrichtung in welche der Roboter montiert wird, bei zunehmender Bauhöhe in etwa der zweiten Potenz verschlechtert.
WO-00/35640 verwendet ein zweistufiges Stirnradgetriebe. Ein solches wirkt sich vorteilhaft auf die nicht erwünschte Wärmeentwicklung aus. Nachteilig ist aber wie bei EP-I '129 '829 Al die durch das Stirnradgetriebe bedingte Bauhöhe des Roboters, welche sich in einem schlechteren Eigenfrequenzverhalten und in einem erhöhten Bedarf an Raumhöhe für die Installation der Roboteranlage auswirkt. Nachteilig ist weiter, dass durch den Platzbedarf der Motoren und der Stirnradgetriebe kein Einbauraum für weitere Komponenten wie den Steuerungsrechner oder die Motorregeleinheiten zur Verfügung steht.
Bei seriellen Kinematiken, insbesondere bei so genannten SCARA- Robotern, wird der Steuerungsrechner bereits heute in den Roboter integriert. So kennt man den Roboter aus US-A- 5,314,293 auch in Kombination mit einer integrierten Steuer- und Regeleinheit. Bei klassischen Knickarmrobotern kennt man aus EP 1' 437 '162 A2 ebenfalls eine Version mit grosserem Einbauraum für eine Steuer- und Regeleinheit. In diesem Einbauraum kann eine gebräuchliche Robotersteuerung angeordnet werden. Eine solche Integration ist bei seriellen Kinematiken einfach zu realisieren, da mehr Einbauraum bereitsteht, die Wärme direkt von der Regeleinheit an die Umgebung abgeführt werden kann und das Schwingungsverhalten aufgrund der geringeren Zykluszahl unproblematisch ist.
Bei Parallelkinematiken, insbesondere bei der Deltakinematik ge- mäss dem Hauptanspruch von US-A-4 ' 976 ' 582 wird der Steuerungsrechner aber immer noch nicht direkt in den Roboter integriert. US-A-4, 976, 582 zeigt, dass der eigentliche Steuerrechner und die Antriebsverstärker für die Motoren über mehrere Kabelverbindungen mit dem Roboter verbunden sind und nicht am Basiselement montiert werden. Diese Kabelverbindungen erweisen sich für die Integration von Deltarobotern in grossere Anlagen als nachteilig, da ein hoher Arbeitsaufwand für das Verlegen der Kabelverbindungen entsteht. Nachteilig ist weiter, dass in der Planung solcher Anlagen mehr Konstruktionsaufwand für die Verlegung von Kabelkanälen und Schaltschränken entsteht.
In verschiedenen industriellen Anwendungen wurde über der Aufhängevorrichtung des Roboters ein Schaltschrank montiert, um dieses Problem zu umgehen. Aufgrund der auftretenden Schwingungen und aufgrund der schlechten Zugänglichkeit im Wartungsfall ist diese Lösung aber nicht ideal.
US-B-6, 798, 157 zeigt beispielhaft eine kombinierte Motorregelung und Leistungsverstärkung, welche auf Halbleiterelementen basiert. Solche Bauelemente erlauben gleichzeitig eine sehr kompakte Bauweise und dadurch den direkten Anbau des Leistungs- und Regelungsteils an den Motor eines Roboters. Die deutlich geringere Wärmeentwicklung vereinfacht die Auslegung der Wärmeabführung. Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Zwängungen und die Wärmeentwicklung in den Getriebe/Motoreinheiten eines Deltaroboters durch Verwendung von unverspannten Getrieben und kompakten Motoren zu beseitigen und dadurch eine Vollintegration der Antriebseinheiten, der Antriebsverstärker und/oder des Steuerrechners zu ermöglichen.
Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der erfindungsgemässe Deltaroboter weist drei Antriebseinheiten mit jeweils einem Getriebe auf, deren mindestens eine Getriebestufe, beziehungsweise deren Komponenten, bei der formschlüssigen Montage durch gezielte Kombination und Passung von eng tolerierten und masshaltigen Komponenten zueinander eingestellt werden, um fertigungsbedingte Getriebetoleranzen auszugleichen und dessen spielarmen Lauf über den gesamten Bewegungsbereich sicherzustellen.
Die formschlüssige Montage in Kombination mit der Justierung und Passung der Komponenten der mindestens einen Getriebestufe führt zu einer sehr hohen Steifigkeit der Antriebe. Die über den gesamten Bewegungsbereich vorhandene Spielarmut verbessert das Vibrationsverhalten und die Aufnahme- und Ablegegenauigkeit des Roboters . Auch entstehen heute durch den Einsatz von unverspannten Getrieben keine Nachteile mehr in Bezug auf die Baugrösse der Getriebe, sondern diese Getriebe sind meist kleiner und leichter.
Die Antriebseinheit lässt sich dadurch sehr kompakt ausgestalten. Die nicht verspannten Getriebestufen werden vorteilhafter- weise koaxial mit dem Antriebsmotor verbunden. Dazu eignen sich insbesondere Planetengetriebe. Der Antriebsmotor selber kann aufgrund des geringen Trägheitsmomentes und der Zwängungsfrei- heit der unverspannten Getriebe kompakt gewählt werden.
Schliesslich erlaubt der Einsatz von kompakten, schwingungsarmen und dadurch hochdynamischen Antrieben die Teil- oder Vollintegration der Antriebselektronik und der Robotersteuerung. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft daher eine Vorrichtung bei der am Basiselement wenigstens eine Steuer- und/oder Regeleinheit angeordnet ist. Durch die bevorzugte Anwendung von unverspannten Getriebeeinheiten und deren geringen Reibungsverlusten ist auch bei komplett integrierten Robotern, welche die ganze Steuer- und/oder Regeleinheit mitumfassen, die geforderte Wärmeabführung realisierbar und kann ausserdem aufgrund der geringen Vibrationen auch die geforderte Langlebigkeit der Steuer- und/oder Regeleinheit sichergestellt werden.
Ein komplett integrierter Roboter, welcher auch die geforderten Funktionen der Steuer- und/oder Regeleinheit mitumfasst, erweist sich als wesentlich einfacher in eine komplette Roboteranlage zu integrieren. Heute wird die Steuer- und Regeleinheit meistens getrennt in einem Steuerungsschrank aufgebaut. Zwischen dem Steuerungsschrank und dem Roboter werden dann mehrere Kabel verlegt. Diese häufige Fehlerquelle und die mit der Verkabelung verbundene Arbeit kann durch die Integration der Steuer- und/oder Regeleinheit in den Roboter stark reduziert oder ganz vermieden werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Produktzuführungen und Produktabführungen, wie Förderbänder oder Behälterketten, und entsprechende Sensoren oder Kameras, direkt von der Steuereinheit des integrierten Roboters selber gesteuert werden kann. Dadurch können die Produktzu- und -abführungen wesentlich einfacher in eine Gesamtlösung eingebunden werden. So können etwa die meist in unmittelbarer Nähe des Roboters aufgebauten Sensoren und Kameras über ein kurzes Signalkabel mit der Steuereinheit des Roboters verbunden werden, während bei einem getrennt aufgebauten Steuerungsschrank zusätzliche aufwendige Verkabelungen notwendig sind.
Andere vorteilhafte Ausführungen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Zeichnungen
Eine Ausführungsform gemäss der Erfindung ist im Folgenden anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: eine Darstellung eines Deltaroboters
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Motor- (3b) und Getriebeanordnung (3a) in einer Motor/Getriebeeinheit (3) in einem Deltaroboter gemäss Fig. 1
Fig. 3: eine detaillierte Darstellung der Anordnung der integrierten Steuer- und/oder Regeleinheit (17) in einem Deltaroboter gemäss Fig. 1
Fig. 4: eine detaillierte Darstellung der Anordnung gemäss Figur 3 mit zusätzlich an die Motoren (3b) angebauten Steuer- und/oder Regelkomponenten (3c) in einem Deltaroboter gemäss Fig. 1 Beschreibung der Ausführung der Erfindung
Gemäss Figur 1 umfasst ein Deltaroboter ein Basiselement (1) , drei Oberarme (4) welche an einem Ende über einen Anschlussflansch (15) mit der Antriebsachse (2) einer Motor/Getriebeeinheit (3) steif verbunden sind und welche an einem zweiten Ende (16) mit Kugelpfannen (6a, 6b) gelenkig mit jeweils einen Unterarmstabpaar (5) verbunden sind. Weiter umfasst der Deltaroboter ein gemeinsames Tragelement (8), welches ebenfalls mit Kugelpfannen (7a, 7b) gelenkig mit dem unteren Ende der drei Unterarmstabpaare (5a, 5b) verbunden ist. Am Tragelement (8) ist wenigstens ein Greifmittel oder Werkzeug (9) zum Greifen oder Bearbeiten eines Gegenstandes angeordnet. Vorzugsweise ist ferner eine bezüglich dem oberen Anlenkpunkt der drei Betätigungsanordnungen (13) zentrisch angeordnete Teleskopachse (14) angeordnet, welche am oberen Ende kardanisch mit einem Antrieb (11) verbunden ist und welche am unteren Ende kardanisch mit der Drehdurchführung (10) der Greiferaufnahme des Tragelements (8) verbunden ist. Die Achsen (2) der drei fest am Basiselement befestigten Motor/Getriebeeinheiten (3) bilden üblicherweise ein gleichseitiges Dreieck. Jede Motor/Getriebeeinheit (3) ist hier mit der ausserhalb des Roboters dargestellten Steuerung (12) verbunden .
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Motor/Getriebeeinheit (3) Diese weist jeweils einen Motor (3b) und ein mit dem Motor (3b) koaxial verbundenes Getriebe (3a) mit einer Abtriebsachse auf. Aufgrund der hohen zu erreichenden Drehzahlen im Reversierbetrieb von bis zu 250 Umdrehungen pro Minute am Abtrieb bei 180 Zyklen pro Minute eignen sich für die praktische Ausführung der Erfindung nur Getriebe, welche für einen hochdynamischen Betrieb ausgelegt sind. Wenig geeignet sind so genannte Harmonic-Drive . Ebenfalls wenig geeignet sind bolzenverschweisste Planetengetriebe, wie Sie in DE-A-100' 58 ' 192 beschrieben sind oder verspannte Planetengetriebe. Auch nicht geeignet sind die in der Robotik üblicherweise eingesetzten Planetengetriebe mit Rollen zur Kraftübertragung. Diese erreichen eine Abtriebsdrehzahl von höchstens 100 Umdrehungen pro Minute. Bei höheren Drehzahlen blockieren diese selbständig, um eine Überhitzung zu vermeiden. Ebenfalls wird mit diesen Planetengetrieben bereits bei 100 Umdrehungen pro Minute der maximal zulässige Geräuschpegel von 70 dB erreicht.
Verwendet werden unverspannte Planetengetriebe, welche formschlüssig montiert werden und welche symmetrisch aufgebaut sind. Dabei ist zu beachten, dass die geforderten Abtriebsdrehzahlen von bis zu 250 Umdrehungen pro Minute im Reversierbetrieb bei 180 Zyklen pro Minute schnell erreicht werden. Das wird durch eine Übersetzung von mindestens 1:30 und gleichzeitig hoher zulässiger Drehzahl am Auftrieb erreicht. Um die geforderte Positioniergenauigkeit zu erreichen, soll das Spiel idealerweise im Bereich von zwischen 1' und 5' liegen. Eingesetzt werden eng tolerierte und unverspannte, allenfalls mehrstufige Präzisionsplanetengetriebe. Bei diesen Getrieben wird durch die Materialwahl und durch die Passung der koaxial montierten Getriebekomponenten sichergestellt, dass das Abwälzen der Planetenräder im Hohlrad auch im hochdynamischen Zyklusbetrieb in der geforderten Genauigkeit ohne Schläge und ohne Selbstblockierung erfolgt. Zusätzlich kann durch eine Käfigausführung des Planetenträgers die Verdrehsteifigkeit und damit die Positioniergenauigkeit erhöht werden.
Soweit möglich sind die Lager der Planetenräder, des Planetenträgers und des Sonnenrades mit Presssitz zu montieren, um Verschiebungen oder Spiel zwischen den Lagern und den Planetenrä- dern, dem Planetenträger, sowie dem Sonnenrad dauerhaft zu reduzieren oder idealerweise zu verhindern. Für Anwendungen im obersten Leistungsbereich kann durch eine aufwendigere Schrägverzahnung auch die Geräuschentwicklung dauerhaft unter 70 dB gehalten werden. Diese Getriebe können sehr einfach mit einem Servomotor kombiniert werden, wobei einzelne Hersteller bereits fertig integrierte Lösungen anbieten.
Durch den Einbau solcher kompakten Antriebe steht bei entsprechender konstruktiver Auslegung des Basiselements (1) ausreichend Platz für die Aufnahme von Steuer- und/oder Regeleinheiten zur Verfügung. Deren Lebensdauer wird durch die geringe Vibrationsneigung und Wärmeentwicklung ebenfalls kaum beeinflusst. Eine erfindungsgemässe Ausführung ist in Figur 3 dargestellt. Übereinstimmend mit Figur 1 sind die Motor/Getriebeeinheiten (3) angeordnet. Zusätzlich ist auf dem Basiselement (1) eine Steuer- und/oder Regeleinheit (17) angeordnet, welche mit den Motor/Getriebeeinheiten (3) und mit dem Antrieb (11) der vierten, teleskopischen Achse (14) verbunden ist. Eine Steuer- und/oder Regeleinheit kann die folgenden Elemente umfassen:
Steuerungsrechner für die Bahnplanung des Roboters, für die Ansteuerung von externer Peripherie und für die Auswertung von Sensoren wie Kameras, Drehgebern oder optischen Sensoren
Regeleinheit für die drei Motoren (3b) und allenfalls den Motor (11) der teleskopischen Achse (14)
In der Praxis wird der Steuerungsrechner häufig als Robotersteuerung bezeichnet. Durch den Einsatz von kompakten Industrierechnern findet der Steuerungsrechner auf kleinem Raum Platz.
Die Regeleinheit selber wird in der Praxis meistens aus drei An- triebsreglern - beispielsweise Servoverstärkern - für die Motoren (3b) und allenfalls einem vierten Antriebsregler für den Motor (11) aufgebaut. Neben den klassischen integrierten Servoverstärkern für den Schaltschrankeinbau, welche vorwiegend eine Regelungselektronik, einen Gleichrichter, die Leistungsteile für meistens drei Motorphasen und den Bremswiderstand mit entsprechend ausgelegten Kühlelementen beinhalten, können auch kompakte Antriebsregler eingesetzt werden, welche auf Halbleiterbasis aufgebaut sind und welche von nur einem separaten Gleichrichter versorgt werden. Am besten geeignet sind dafür beispielsweise so genannte „insulated gate bipolar transistors" oder kurz IGBT- Elemente. Auch geeignet sind für geringere Zwischenkreisspannun- gen die ähnlich aufgebauten „metal-oxide semiconductor field- effect transistor" oder kurz MOSFET-Elemente . Bekannte Beispiele sind TrenchStop IGBT DuoPack von Infineon oder iMotion von International Rectifier. Durch den Einsatz solcher Leistungsmodule kann die Regeleinheit (17) sehr kompakt gebaut werden. Der ebenfalls notwendige elektrische Bremswiderstand wird idealerweise dem gemeinsamen Zwischenkreis aller drei oder vier Antriebsachsen zugeschaltet und direkt mit dem Basiselement (1) wärmeleitend verbunden, so dass die Dissipationsleistung nicht über separate Kühlelemente abgeführt werden muss. Durch die kurzen Leitungen zwischen den Antriebsreglern und den Antrieben ist auch das elektrische Rauschverhalten einfach kontrollierbar.
Anstelle der Kombination der Antriebsregler für die Motoren (3b, 11) in einer Regeleinheit (17) zeigt Figur 4 eine weitere erfin- dungsgemässe Ausführung. Übereinstimmend mit Figur 3 ist auch hier eine Steuer- und/oder Regeleinheit (17) auf dem Basiselement (1) angeordnet. Diese umfasst in erster Linie den Steuerungsrechner. Zusätzlich sind auf der den Getrieben (3a) gegenüberliegenden Seiten der Motoren (3b) jeweils weitere Steuer- und/oder Regelkomponenten (3c) angeordnet. Diese Steuer- und/oder Regelkomponenten können Signale der Motor/Getriebeeinheiten verarbeiten und/oder die Motor/Getriebeeinheiten mit Leistung speisen. Durch den Einsatz von einem, beispielsweise aus IGBT-Elementen gebauten, kompakten Antriebsregler in jeder Steuer- und/oder Regeleinheit (3c) kann die gesamte Motor/Getriebeeinheit (3) als ein Bauteil bestehend aus Getriebe, Motor und Antriebsregler ausgeführt werden. Entsprechend vereinfacht sich die Montage des Roboters und der Bauteilaustausch beim Unterhalt.
Mit den erfindungsgemässen Vorrichtungen gemäss Figuren 2, 3 oder 4 wird ein erweiterter Einsatz des Deltaroboters ermöglicht. Durch die Verwendung von nicht verspannten Getrieben und durch die Integration von Steuer- und/oder Regelkomponenten ist der Roboter einfach zu integrieren, benötigt weniger Platz und weist trotzdem eine gute Positioniergenauigkeit und ein optimales Schwingungsverhalten auf.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum mit einem Basiselement (1) , mit drei am Basiselement (1) angeordneten Motor/Getriebeeinheiten (3) , mit drei Armen (4,5), welche an einem ersten Ende je mit einer Motor/Getriebeeinheit (3) verbunden sind und welche an einem zweiten Ende gelenkig mit einem gemeinsamen Tragelement (8) verbunden sind, an welchem mindestens ein Greif- mittel (9) zum Greifen des Gegenstandes angeordnet ist, wobei die Motor/Getriebeeinheiten (3) in einer durch das Basiselement (1) definierten Ebene oder in einer parallel dazu verlaufenden Ebene so angeordnet sind, dass sie die Seiten eines imaginären Dreiecks bilden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Motor/Getriebeeinheit (3) ein nicht verspanntes Getriebe (3a) aufweist, dessen antriebsseitige und abtriebsseitige Achse der mindestens einen Getriebestufe, vorzugsweise aller Getriebestufen, koaxial verläuft.
2. Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren eines Gegenstandes im Raum mit einem Basiselement (1), mit drei fest am Basiselement (1) angeordneten Motor/Getriebeeinheiten (3) , mit drei Armen (4,5), welche an einem ersten Ende mit einem einzigen Freiheitsgrad je über einen Anschlussflansch
(15) fest mit der Antriebsachse (2) einer Motor/Getriebeeinheit (3) verbunden sind und welche an einem zweiten Ende gelenkig mit einem gemeinsamen Tragelement (8) verbunden sind, an welchem mindestens ein Greifmittel (9) zum Greifen des Gegenstandes angeordnet ist, wobei die Gesamtanordnung derart ausgestaltet ist, dass die Neigung und die Ausrichtung im Raum des gemeinsamen Tragelements (8) unverändert bleiben bei beliebigen Bewegungen der drei Arme (4,5), wobei jedes Unterarmstabpaar (5) einerseits derart gelenkig am Oberarm (4) angeordnet ist, dass es zwei Freiheitsgrade bezüglich des Oberarms (4) aufweist und andererseits gelenkig am gemeinsamen Tragelement (8) angeordnet ist, dass es zwei Freiheitsgrade bezüglich des gemeinsamen Tragelements (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Motor/Getriebeeinheit (3) ein nicht verspanntes Getriebe (3a) aufweist, dessen antriebsseitige und abtriebsseitige Achse der mindestens einen Getriebestufe, vorzugsweise aller Getriebestufen, koaxial verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (3a) so ausgeführt ist, dass die mindestens eine Getriebestufe des Getriebes (3a) ein Planetengetriebe ist, und dass das Getriebe (3a) durch formschlüssige Verbindung von eng tolerierten Getriebekomponenten über den gesamten Bewegungsbereich spielarm arbeitet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger des Getriebes (3a) als Käfig mit Aussparungen für die Planetenräder ausgeführt ist, wobei der Käfig umlaufend im Hohlrad des Getriebes (3a) gelagert ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine drehbare und längenverschiebbare vierte Achse (14) vorhanden ist, welche mit dem Antrieb (11) und mit dem Tragelement (8) kardanisch verbunden ist.
6. Vorrichtung insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Basiselement
(1) eine Steuer- und/oder Regeleinheit (17) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (17) die Antriebsregelung und/oder Leistungsverstärkung der Motor/Getriebeeinheiten (3) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (17) eine Rechnereinheit zur Berechnung der Bewegungen des Tragelements (8) mitumfasst .
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit der Steuer- und/oder Regeleinheit (17) auch die Bewegungen von Produktzu- und -abführungen mitberechnet .
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (17) direkt an den Motor/Getriebeeinheiten angebaute Steuer- und/oder Regelkomponenten (3c) mitumfasst, und dass die Steuer- und/oder Regelkomponenten (3c) die Antriebsregelungen und/oder Leistungsverstärker der Motor/Getriebeeinheiten (3a, 3b) sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsverstärkung der Motoren (3a) mit Halbleiterelementen, vorzugsweise Leistungstransistoren, erzeugt wird.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (17) wärmeleitend mit dem Basiselement (1) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-12, dadurch gekenn- zeichnet, dass jede Motor/Getriebeeinheit (3) ein verspanntes Getriebe (3a) aufweist, dessen antriebsseitige und abtriebsseitige Achse der mindestens einen Getriebestufe, vorzugsweise aller Getriebestufen, koaxial verläuft, und dessen Komponenten stoff- und/oder formschlüssig verbunden sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Motor/Getriebeeinheit (3) ohne Getriebe ausgeführt ist, und dass die Motorabtriebsachse der Motoreinheit (3) gleichzeitig die Antriebsachse (2) der über den Anschlussflansch (15) verbundenen Oberarme (4) ist.
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