DE4240435A1

DE4240435A1 - Bewegbarer, in seiner Raumform veränderbarer Arm, insbesondere als Träger von Werkzeugen, Sichtgeräten oder dergleichen

Info

Publication number: DE4240435A1
Application number: DE19924240435
Authority: DE
Inventors: Juergen Dorn
Original assignee: D T I Dr Trippe Ingenieurgesellschaft mbH
Current assignee: D T I Dr Trippe Ingenieurgesellschaft mbH
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 1994-05-19

Description

Die Erfindung betrifft einen im dreidimensionalen Raum bewegbaren, in seiner Raumform veränderbaren Arm, der aus einer Mehrzahl aufeinanderfolgender, gegeneinander verschwenkbarer Einzelelemente zusammengesetzt ist.

Derartige Arme kommen in vielen Technik-Bereichen zum Einsatz. Sie werden insbesondere im Zusammenhang mit Handhabungsautomaten oder Industrierobotern verwendet. In der Medizin-Technik benötigt man derartige Arme z. B. für endoskopische Zwecke.

Die Europäische Offenlegungsschrift 17 016 vermittelt einen Überblick über verschiedene, zum Stand der Technik gehörende Bauformen für Arme der eingangs bezeichneten Art. Dabei sind zur Verstellung der insbesondere aufeinander abwälzenden Einzelelemente des jeweiligen Armes jedem dieser Einzelelemente mehrere hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigbare Servomotoren zugeordnet.

Die elektrisch betätigten Servomotoren ermöglichen lediglich eine Verstellung zwischen zwei Endpositionen. Daraus ergeben sich erhebliche Beschränkungen für die insgesamt von dem Arm einnehmbaren Raumformen.

Diese Beschränkungen werden z. T. überwunden durch die Verwendung hydraulisch betätigter Stellmotoren, deren Stellkolben stufenlos verschoben werden können. Dazu sind die verschiedenen Hydraulikzylinder gruppenweise an je eine Versorgungsleitung angeschlossen. Damit sind jedoch alle Hydraulikzylinder einer Gruppe stets nur mit einem allen gemeinsamen Druck beaufschlagbar, woraus sich neue Beschränkungen für die Verstellmöglichkeiten des Arms ergeben.

Bei einer anderen Ausführungsform nach der genannten EP-OS sind die Einzelelemente durch Zugdrähte miteinander verbunden und können gruppenweise durch Verkürzen oder Verlängern dieser Drähte in eine Winkelposition zueinander gebracht werden, woraus sich eine gekrümmte Raumform des gesamten Arms ergibt. Die Variationsmöglichkeiten für die Verstellung des gesamten Armes erscheinen auch hier beträchtlich eingeschränkt.

Aus der DE-PS 37 12 067 ist ein beweglicher Arm bekannt, der aus einer Reihe von miteinander verbundenen gleichartigen Elementen besteht, die in Längsrichtung des Arms torsionssteif durch Gelenkachsen, insbesondere durch Kreuzgelenke allseitig miteinander verbunden sind, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Elementen ein zug- und druckfestes Raumgelenk sowie zwei Linearmotore angeordnet sind, die ebenfalls raumgelenkig an den benachbarten Gelenken angreifen. Die Linearmotore sind als doppeltwirkende Hydraulikzylinder ausgebildet. Als Steuereinrichtungen sind innerhalb der Elemente angeordnete Steuerventile vorgesehen.

Ein solcher Arm weist ebenfalls erheblich beschränkte Verstellmöglichkeiten auf. Zudem bedingt die Ansteuerung der in den Elementen untergebrachten Ventile einen beträchtlichen baulichen Aufwand.

Aus der DE-OS 34 00 362 ist ein Hydrogelenkarm bekannt, bei dem die hintereinander geschalteten Einzelelemente eine Anordnung aus mindestens drei periphären Zylindern und einem Zentralzylinder bilden, wobei sowohl eine Längenänderung als auch eine Beugung des Arms möglich ist. Die Zylinder befinden sich starr auf einer Grundplatte. Die peripheren Zylinder betätigen Kolbenstangen, die mit ihren Endgelenken in einem Schwenk- Schublagergehäuse verbunden sind. Bei der Beugung zweier Grundplatten zueinander findet eine Schiebebewegung in radialer Richtung, bezogen auf die Zentralzylinderachse, statt. Um die Verschiebung technisch zu ermöglichen wird eine Kurvenscheibe verwendet, die belegt ist durch den exzentrischen Zapfen eines Zahnrades, das durch eine Zahnstange bewegt wird, die mit einer Vorrichtung an die Kolbenstange des Zentralzylinders greift.

Dieser Gelenkarm bietet zwar im Vergleich zu den zuvor beschriebenen erweiterte Möglichkeiten zur Verstellung des Arms im Raum - allerdings bedarf es eines ganz erheblichen baulichen Aufwands um diesen Vorteil zu erzielen. Die Vielzahl der benötigten Bauteile erlaubt einen besonders klein bauenden Arm, wie er zum Beispiel in der Medizin-Technik benötigt wird, nicht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik soll mit der Erfindung die Aufgabe gelöst werden, einen Arm der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der bei einfacher Bauweise und geringem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit und bei einfacher Handhabung nahezu beliebig im Raum verstellbar ist und daher in nahezu allen Technikbereichen - vom Industrieroboter bis z. B. zur Medizintechnik - Anwendung finden kann.

Die gestellte Aufgabe wird mit einem in seiner Raumform veränderbaren Arm gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Arms ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 10.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Arm nach der Erfindung.

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Einzelelement.

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Arm.

Wie die Figuren zeigen, besteht der Arm (1) nach der Erfindung aus mehreren, durch steckbare Kugelgelenke (2) miteinander verbundenen Einzelelementen (3). Diese besitzen in der Mitte einen Kanal (9), durch welchen z. B. ein Antrieb für ein Werkzeug (8) geführt werden kann. Der Antrieb kann z. B. ein Seilzug sein.

Außermittig befinden sich in jedem Einzelelement (3) drei weitere, zum Kanal (9) für den Werkzeugantrieb parallele Kanäle (10), durch welche z. B. Übertragungselemente für optische Signale, insbesondere Glasfaserbündel, verlegt sein können.

Die zuletzt genannten Kanäle (10) sind in einem Winkelabstand von 120° gleichmäßig auf einem gemeinsamen Radius angeordnet.

Radial außerhalb dieser Kanäle (10) befinden sich, ebenfalls um 120° gegeneinander versetzt, drei hydraulische Stellzylinder (4) in ebenfalls zum jeweiligen Einzelelement (3) achsparalleler Anordnung. Diese Stellzylinder (4) tragen auf der Außenseite Druckanschlüsse, an die jeweils eine im Arm verlegte Druckleitung (7) angeschlossen ist.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind 21 Druckleitungen (7) vorgesehen, was für die Druckversorgung von sieben Einzelelementen (3) mit jeweils drei Stellzylindern (4) ausreicht. Die Druckleitungen (7) und die Einzelelemente (3) sind von einem Hüllschlauch (11) aus Siliconkautschuk umgeben.

In den Stellzylindern (4) laufen Kolben (5). Diese sind durch Kolbenstangen (6) jeweils mit Kolben (5) verbunden, die in den Stellzylindern (4) des jeweils benachbarten Einzelelements (3) laufen. Die Kolben (5) sind einzeln gegen Herausfallen aus dem Stellzylinder (4) gesichert. In den Stellzylindern (4) der beiden endseitigen Einzelelemente (3) des Armes (1) befindet sich je ein einziger Kolben (5), während sich in den Stellzylindern (4) der anderen Einzelelemente jeweils zwei Kolben gegenüberstehen.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß durch Pumpen von Hydraulikmedium in spezielle Stellzylinder (4) und Entnahme von Fluid aus anderen Stellzylindern (4) eines Einzelelements (3) eine Krümmung des Arms (1) bewirkt werden kann.

Die Steuerung des Arms (1) erfolgt in einer Master-Slave-Anordnung. Hierfür sind zwei baugleiche Arme (1) vorgesehen, wobei die Einbaulage der durch eine Hydraulikleitung miteinander verbundenen Stellzylinder (4) von Master und Slave um 180° verdreht ist. So wird eine identische Bewegung beider Arme erreicht.

Als Alternative zur hydraulischen Kopplung von Master und Slave kann eine elektronisch gesteuerte Abgabe von Hydraulikmedium an die einzelnen Stellzylinder (4) vorgesehen werden. In diesem Fall sollte die Position der Gelenke am Master und am Slave durch Winkelgeber kontinuierlich überwacht und in einem Rechner verglichen werden. Bei dieser Art von Bewegungssteuerung des Arms (1) sind aufgrund der elektronischen Signalübertragung größere Entfernungen zwischen Master und Slave überbrückbar.

Der in hohem Maße in seiner Raumform verstellbare und aufgrund der Master-Slave- Bewegungssteuerung in besonders vorteilhafter Weise fernsteuerbare Arm (1) kann in einem weiten Feld von Technik-Bereichen eingesetzt werden. Lediglich beispielsweise werden als mögliche Anwendungsgebiete genannt:
Minimal-Invasive-Chirurgie
Inspektion von schwer zugänglichen Maschinen- oder Anlagenteilen, z. B. von Turbinen in Kraftwerken oder Flugtriebwerken.
Inspektion von kontaminierten Maschinen- und Anlagenteilen, z. B. von Einbauten im Reaktordruckbehälter von Kernkraftwerken, Anlagen der chemischen Industrie.

Bezugszeichenliste

1 Arm
2 Kugelgelenk
3 Einzelelement
4 Stellzylinder
5 Kolben
6 Kolbenstangen
7 Druckleitung
8 Werkzeug
9 Kanal für Werkzeugantrieb
10 Kanal zur Aufnahme von Übertragungselementen für optische Signale
11 Hüllschlauch

Claims

1. Im dreidimensionalen Raum bewegbarer, in seiner Raumform veränderbarer Arm (1), insbesondere für den Einsatz in der endoskopischen und/oder operativen Technik, insbesondere Medizin-Technik, als Träger von Werkzeugen und/oder Sichtgeräten oder dergleichen, mit einer Mehrzahl aufeinanderfolgender, durch steckbare Kugelgelenke (2) miteinander gelenkig verbundener Einzelelemente (3), von denen jedes eine Mehrzahl hydraulischer Stellzylinder (4) aufweist, in denen je zwei, parallel zur Längsrichtung des Armes (1) entgegengesetzt zueinander verschiebbare, durch den mit Hydraulikmedium befüllbaren Zylinderraum voneinander getrennte Kolben (5) angeordnet sind, wobei

- sich die Stellzylinder (4) je zweier benachbarter Einzelelemente (3) paarweise gegenüberliegen und zwischen den sich somit ebenfalls gegenüberliegenden Kolben (5) der benachbarten Einzelelemente (3) an diesen Kolben (5) mit ihren Enden angelenkte Kolbenstangen (6) vorgesehen sind,
- jeder Stellzylinder (4) über eine ihm zugeordnete Druckleitung (7) getrennt von den anderen Stellzylindern (4) mit Hydraulikmedium beschickbar ist, und
- die Bewegungssteuerung des Armes (1) in einer Master-Slave-Anordnung erfolgt, bei der ein zu dem Arm (1) baugleicher Arm einen Master-Arm bildet, dessen bei seiner Handhabung eintretende Bewegungen zeitgleich und identisch auf den im Raum zu bewegenden und in seiner Raumform zu verändernden Arm (1) übertragbar sind.

2. Arm nach Anspruch 1, bei dem jeder Stellzylinder des Master-Armes mit einem ihm zugeordneten Stellzylinder (4) des Slave-Armes (1) mittels einer Hydraulikleitung in Druckverbindung steht.

3. Arm nach Anspruch 2, bei dem die Einbaulage der durch eine Hydraulikleitung miteinander verbundenen Stellzylinder (4) in dem einen Arm gegenüber der Einbaulage in dem anderen Arm um einen Winkel von 180°, genommen um die Längsachse des Arms, verdreht ist.

4. Arm nach Anspruch 1, bei dem die Abgabe von Hydraulikmedium an die einander entsprechenden Stellzylinder des Master-Armes einerseits und des Slave-Armes (1) andererseits hydraulisch getrennt voneinander und elektronisch gesteuert erfolgt.

5. Arm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Einzelelemente (3) zur Aufnahme eines Antriebes für ein am Kopf des Armes getragenes Werkzeug (8) mit je einem mittigen, in Längsrichtung des Armes verlaufenden Kanal (9) versehen sind.

6. Arm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Einzelelement (3) drei Stellzylinder (4) aufweist, die zueinander um einen Winkel von 120°, genommen um die Längsachse des Armes (1), versetzt sind.

7. Arm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die steckbaren Kugelgelenke (2) an den Einzelelementen (3) jeweils mittig und im Bereich der Längsachse des Armes (1) angeordnet sind.

8. Arm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Einzelelement (3) drei zueinander um einen Winkel von 120°, genommen um die Längsachse des Armes (1), versetzte und parallel zur Längsrichtung des Armes (1) verlaufende Kanäle (10) zur Aufnahme von Übertragungselementen für optische Signale, insbesondere von Glasfasersträngen, aufweist.

9. Arm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Druckleitungen (7) der Stellzylinder (4) radial außen zu den Einzelelementen (3) und parallel zur Längsrichtung des Armes (1) verlaufen.

10. Arm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, radial außen umgeben von einem Hüllschlauch (11), insbesondere aus Siliconkautschuk.