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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Griff zur Erfassung einer Kraft zum Messen von Kräften und Momenten mit minimaler Drift und minimalem Rauschen und ein Verfahren zu dessen Verwendung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei einigen Systemen kann die präzise Ermittlung einer aufgebrachten Kraft vorteilhaft sein. Bei einem interaktiven Mensch-Roboter-System (HRI-System) kommuniziert ein menschlicher Bediener direkt mit einer Robotereinrichtung, welche durch Aufbringen einer Kraft auf ein oder mehrere Glieder eine spezielle Aufgabe ausführt oder deren Ausführung unterstützt. Der Bediener kann eine Eingabe in der Form einer aufgebrachten Kraft und/oder eines aufgebrachten Drehmoments aufbringen, die ein Controller in Bezug auf die Aufgabe, die gerade ausgeführt wird, interpretieren muss. Dadurch bilden der Roboter sowie der Bediener ein integriertes System, das die gewünschten Aufgaben ausführt. Als einer von zwei Teilen im System muss der Roboter zu einer effektiven Arbeit mit dem Menschen in der Lage sein. Es ist daher ein grundlegendes Ziel jedes HRI-Systems, eine natürlichere und effektivere Interaktion zwischen dem oder den menschlichen Bedienern und den verschiedenen integrierten Komponenten des Roboters zu ermöglichen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Entsprechend werden hier ein System und ein Verfahren für dessen Steuerung bereitgestellt. Das System umfasst einen Controller und einen Roboter, mit welchem ein menschlicher Bediener über einen Griff zur Erfassung einer Kraft auf der Grundlage einer Lichtschranke kommuniziert, wie hier beschrieben wird. Der Roboter kann ein oder mehrere Stellglieder in der Form von Motoren, Bremsen, Riemenscheiben, Seilen und/oder anderen starren oder nachgiebigen Gliedern umfassen, wobei die verschiedenen Stellglieder gemeinsam an einer Nutzlast oder einem anderen Objekt arbeiten. In einer Kraftfahrzeugmontageumgebung kann ein Bediener beispielsweise eine relativ sperrige Nutzlast, etwa eine Maschine oder ein Getriebe, positionieren. In einer derartigen Umgebung kann ein Roboter in der Gestalt einer über Kopf angeordneten Unterstützungseinrichtung verwendet werden, um eine Bewegung der Nutzlast zur Erleichterung der Montage zu unterstützen. Es können jedoch auch andere Nutzlasten mit dem System und Verfahren, die hier offengelegt werden, verwendet werden, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Wenn der Bediener eine tatsächliche Eingabekraft auf einen oder mehrere Griffe aufbringt, messen Sensoren, die in Sensorgehäuse eingebettet sind und an den Griffen angebracht sind, gemeinsam einen sich verändernden elektrischen Ausgangswert, z. B. einen Spannungs- oder Stromausgangswert, der relativ immun gegen Driften und Rauschen im Millivoltbereich ist. Ein derartiges Rauschen kann zu Messfehlern führen, wenn herkömmliche auf Dehnung basierende Kraftsensoren verwendet werden. Die Sensoren der vorliegenden Erfindung sind seriell verbunden, wie hier offengelegt wird, um Kräfte in jeder der Kartesischen x-, y- und z-Richtungen zu messen und sind in einem jeweiligen Sensorgehäuse eingeschlossen. Darüber hinaus können eine oder mehrere Koppelglieder einer seriellen Sensorkette zwei parallel verbundene Sensorgehäuse umfassen, um ein Drehmoment entlang einer Achse zu messen, die rechtwinklig zu der Ebene verläuft, die von den zwei Sensoren gebildet wird.
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Eine tatsächliche Eingabekraft und/oder ein tatsächliches Eingabedrehmoment, die bzw. das von dem Bediener auf einen Griff aufgebracht wird, lenkt den Griff in mindestens eine der x-, y-, z- und Theta-(θ)-Richtungen aus, wobei die Auslenkung des Griffs schließlich einen flexiblen Abschnitt von einem oder mehreren Sensorgehäusen in einen Strahlpfad einer Lichtquelle hinein bewegt. Eine Lichtübertragung in jedem der verschiedenen Sensoren wird gemessen, um den elektrischen Ausgangswert zu ermitteln, wobei der elektrische Ausgangswert schließlich den Betrag und die Richtung der tatsächlichen Eingabekraft bestimmt, die auf einen oder mehrere der Griffe aufgebracht wird.
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Insbesondere umfasst ein Robotersystem, wie es hier offengelegt wird, einen Roboter, der zum Bewegen einer Nutzlast in Ansprechen auf eine berechnete Eingabekraft ausgelegt ist, einen Griff, eine Vielzahl von Sensoren und einen Controller. Die berechnete Eingabekraft wird ermittelt, wenn ein Bediener eine tatsächliche Eingabekraft auf den Griff, oder auf ein Paar derartige Griffe, wenn dieser so ausgestaltet ist, aufbringt. Die Sensoren sind jeweils in einem jeweiligen Gehäuse eingeschlossen und sind mit dem Griff funktional verbunden. Jeder der Sensoren enthält einen Lichtemitter, der zum Emittieren eines Lichtstrahls ausgelegt ist, und einen Lichtempfänger, der ausgelegt ist, um mindestens einen Teil des emittierten Lichtstrahls zu empfangen. Zudem misst jeder der Sensoren den Teil des Lichtstrahls, der von einem jeweiligen der Lichtempfänger empfangen wird. Der Controller ermittelt dann die berechnete Eingabekraft unter Verwendung des Teils des Lichtstrahls, der von den Lichtempfängern empfangen wird. Jedes Sensorgehäuse ist ausgelegt, um einen Unterbrechungsbetrag des Lichtstrahls zu modifizieren, wenn die tatsächliche Eingabekraft von dem Bediener aufgebracht wird, und der Controller steuert eine Aktion des Roboters unter Verwendung der berechneten Eingabekraft auf automatische Weise.
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Es wird auch ein Steuersystem zur Bewegungssteuerung des Roboters bereitgestellt. Das Steuersystem umfasst eine Vielzahl von Sensorgehäusen, die jeweils mit dem oder den Griffen funktional verbunden sind, und die vorstehend erwähnten Sensoren, wobei jeder Sensor in einem jeweiligen Sensorgehäuse eingeschlossen ist. Jeder Sensor weist einen Lichtemitter und einen Lichtempfänger auf. Die Sensoren messen den Teil eines Lichtstrahls, der von einem jeweiligen Lichtempfänger empfangen wird. Eine Hostmaschine eines Controllers führt einen Algorithmus aus, um die berechnete Eingabekraft und/oder Drehmomente um mindestens jede Kartesische x-, y- und z-Achse herum unter Verwendung des Teils des Lichtstrahls, der von den Lichtempfängern empfangen wird, zu ermitteln. Jedes Sensorgehäuse modifiziert die Unterbrechung des Lichtstrahls, wenn die tatsächliche Eingabekraft von dem Bediener auf einen oder mehrere Griffe aufgebracht wird, und der Controller steuert über die Hostmaschine und den Algorithmus automatisch eine Aktion des Roboters unter Verwendung der berechneten Eingabekraft.
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Ein Verfahren zum Steuern des vorstehend erwähnten Roboters umfasst, dass der Lichtstrahl von einem Lichtemitter eines Sensors zu einem Lichtempfänger des gleichen Sensors emittiert wird, eine Unterbrechung des Lichtstrahls durch Biegen oder Krümmen eines Teils des Sensorgehäuses unter Verwendung der tatsächlichen Eingabekraft, die auf einen oder mehrere Griffe aufgebracht wird, modifiziert wird und dann ein Teil des Lichtstrahls gemessen wird, der von dem Lichtempfänger empfangen wird.
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Das Verfahren umfasst ferner, dass ein Controller verwendet wird, um die berechnete Eingabekraft als eine Funktion des Teils des Lichtstrahls, der vom Lichtempfänger empfangen wird, zu ermitteln und dann eine Aktion des Roboters unter Verwendung der berechneten Eingabekraft automatisch zu steuern.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Veranschaulichung eines interaktiven Mensch-Roboter-Systems (HRI-Systems) gemäß der Erfindung;
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2 ist eine perspektivische Veranschaulichung in Seitenansicht einer Sensorgehäuseanordnung gemäß einer Ausführungsform, die mit dem HRI-System von 1 verwendbar ist;
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2A ist eine perspektivische Veranschaulichung in Seitenansicht einer Sensorgehäuseanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit dem HRI-System von 1 verwendbar ist;
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3 ist eine perspektivische Veranschaulichung in Seitenansicht eines auf einer Lichtschranke basierenden Sensors, der mit dem HRI-System von 1 verwendbar ist;
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4 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Auslenkung und einem elektrischen Strom in dem in 3 gezeigten Sensor beschreibt;
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5 ist eine schematische Veranschaulichung einer seriellen Verbindung der in 3 gezeigten Sensoren;
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6 ist eine perspektivische Veranschaulichung in Draufsicht einer Sensoranordnung, die mit dem HRI-System von 1 verwendbar ist;
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7 ist eine perspektivische Veranschaulichung in Draufsicht einer Griffanordnung gemäß einer Ausführungsform, die mit dem HRI-System von 1 verwendbar ist;
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7A ist eine perspektivische Veranschaulichung in Draufsicht einer Griffanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit dem HRI-System von 1 verwendbar ist; und
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8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung eines Roboters des in 1 gezeigten Systems beschreibt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche oder ähnliche Komponenten bezeichnen, zeigt 1 ein interaktives Mensch-Roboter-System (HRI-System) 10, das ausgelegt ist, um eine Aufgabe oder Operation mit Roboterunterstützung auszuführen. Im HRI-System 10 interagiert ein menschlicher Bediener 12 mit einem Roboter (R) 14, indem er eine tatsächliche Eingabekraft und/oder ein tatsächliches Eingabedrehmoment (Pfeil F) auf einen oder mehrere Griffe 20 eines Bediengeräts 16 ausübt, wobei jeder Griff speziell ausgelegt ist, um die Eingabekraft aufzunehmen. Obwohl in 2 zwei Griffe gezeigt sind, können auch ein einziger Griff oder mehr als zwei Griffe verwendet werden, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen. Obwohl ein HRI-System 10 in 1 als eine mögliche Ausführungsform gezeigt ist, können der oder die Griffe 20 auf ähnliche Weise bei einer beliebigen Kraft erfassenden und Moment erfassenden Anwendung verwendet werden, die eine minimale oder eine Nulldrift und sehr niedrige Rauschpegel benötigt, wie der Fachmann versteht. Der Einfachheit halber werden die Griffe 20 nachstehend im Plural bezeichnet.
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Bei einer Ausführungsform kann der Roboter 14 als eine über Kopf angeordnete Nutzlastunterstützungseinrichtung ausgestaltet sein, die zur Unterstützung der Positionierung einer Nutzlast 30 in einem Arbeitsbereich oder einer Zelle ausgelegt ist, wie durch Pfeile A und B angezeigt ist. Der Roboter 14 kann verschiedene Stellglieder enthalten, z. B. einen oder mehrere Motoren (M) 21 und Bremsen (B) 25 sowie beliebige benötigte Relais, Zahnräder, Leistungsversorgungen, Leistungsaufbereitungsgeräte usw., die zum Betreiben des Roboters benötigt werden. Die Nutzlast 30, beispielsweise eine Kraftfahrzeugmaschine, ein Getriebe, oder eine andere relativ sperrige Nutzlast, kann mit dem Roboter 14 mit so vielen Gliedern 18 verbunden sein, wie zur Ausführung der gewünschten Operation geeignet sind. Obwohl die Glieder 18 in 1 der Einfachheit halber als eine Verbindung gezeigt sind, können sie in Abhängigkeit von der Größe und dem Gewicht der Nutzlast 30 als ein Netzwerk aus Seilen, Riemenscheiben, über Kopf angeordneten und/oder vertikalen Stützelementen, Auslegerbalken usw. ausgestaltet sein.
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Das HRI-System 10 umfasst ein Steuerungssystem mit einem Controller (C) 23, der als ein Server oder eine Hostmaschine ausgeführt ist, der bzw. die zur Ausführung eines Algorithmus 100 ausgelegt ist und verschiedene Komponenten wie nachstehend erläutert aufweist. Die Ausführung des Algorithmus 100 durch die Hostmaschine des Controllers 23 stellt eine Steuerung des Roboters 14 auf der Grundlage einer Lichtunterbrechung bereit, welche eine Kontrolle über im Wesentlichen alle integrierten Komponenten umfasst, die für eine präzise Steuerung der Aktionen des Roboters notwendig sind. Der Controller 23 kann als ein einzelner digitaler Rechner oder als ein verteiltes Netzwerk aus digitalen Rechnern, Hostmaschinen, Datenverarbeitungseinrichtungen oder Servern ausgestaltet sein, die jeweils einen oder mehrere Mikroprozessoren oder zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU), ausreichend Festwertspeicher (ROM), Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) und elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM) aufweisen. Der Controller 23 kann einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen), Digital/Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen) und beliebige benötigte Eingabe/Ausgabe-Schaltungen (I/O-Schaltungen), I/O-Einrichtungen und Kommunikationsschnittstellen sowie Signalaufbereitungs und Pufferelektronik umfassen. Einzelne Steuerungsalgorithmen, die im Controller 23 vorhanden sind oder für diesen leicht zugänglich sind, einschließlich des nachstehend beschriebenen Algorithmus 100, können im ROM gespeichert sein und auf einer oder mehreren verschiedenen Steuerungsebenen automatisch ausgeführt werden, um die jeweilige Steuerungsfunktionalität bereitzustellen.
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Immer noch mit Bezug auf 1 kann das Bediengerät 16 bei einer Ausführungsform eine Stützstruktur oder einen Rahmen 15 und das Griffepaar 20 umfassen. Die Griffe 20 können optional direkt mit der Nutzlast 30 verbunden sein, wie durch Griffe 20A gestrichelt dargestellt ist. Der spezielle Aufenthaltsort und die spezielle Distanz der Griffe 20 mit Bezug auf die Nutzlast 30 kann variieren, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen. Wenn der Rahmen 15 zum Abstützen verwendet wird, kann er in Abhängigkeit von der speziellen Konstruktion mit einer oder mehreren Eingabeeinrichtungen 17 verbunden sein, z. B. Nothalt-Schaltern, Anzeigegeräten, Eingabetastenfeldern usw.
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Eine Lichtauslenkung, die aus einer tatsächlichen Eingabekraft (Pfeil F) resultiert, die vom Bediener 12 auf jeden Griff des Griffepaars 20 aufgebracht wird, wird über eine Sensoranordnung 50 (siehe 6) gemessen, die mit den Griffen verbunden ist, und in Eingangssignale 11 umgesetzt. Die Eingangssignale 11, die zur Berechnung der tatsächlich aufgebrachten Kraft (Pfeil F) verwendet werden, werden an den Controller 23 zur Verwendung durch den Algorithmus 100 übertragen. Steuerungsdaten und Rückkopplungsdaten, die durch einen Doppelpfeil 13 dargestellt sind, können zwischen dem Roboter 14 und dem Controller 23 automatisch ausgetauscht werden, um eine präzise Bewegungs- und Systemsteuerung des Roboters in Ansprechen auf die aufgebrachte Kraft sicherzustellen.
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Der Controller 23 misst eine elektrische Reaktion, d. h. einen Spannungs und/oder einen Stromwert, in Ansprechen auf die auf die Griffe 20 aufgebrachte Kraft, wie nachstehend erläutert wird, um eine aufgebrachte Kraft und/oder Drehmomente um jede Kartesische Achse herum, d. h. die x-, y- und z-Achsen der Griffe 20, innerhalb eines akzeptablen Bereichs der tatsächlichen Eingabekraft (Pfeil F) präzise zu berechnen. Zu diesem Zweck ermittelt der Controller 23 unter Verwendung der Sensoranordnung 50 von 6 und bei einer Ausführungsform einer oder mehrerer Nachschlagetabellen 31 eine berechnete aufgebrachte Kraft auf der Grundlage eines elektrischen Signals. Dieses Signal ist eine Funktion des Lichts, das durch eine Sensoranordnung hindurch übertragen wird, etwa die in 6 gezeigte und nachstehend beschriebene Ausführungsform. Durch die Verwendung einer Lichtunterbrechung anstatt der Messung einer mechanischen Dehnung oder Foliendeformation kann eine relative Immunität gegen Rauschen im Millivoltbereich und Sensordriften erreicht werden.
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Mit Bezug auf 2 ist ein Sensorgehäuse 32 zur Befestigung eines oder mehrerer Sensoren 40 ausgelegt, wobei die Sensoren mit Bezug auf 3 beschrieben werden. Eine weitere Ausführungsform des Sensorgehäuses 32 ist in 2A als Sensorgehäuse 132 gezeigt, wie nachstehend beschrieben wird. Das Sensorgehäuse 32 wandelt eine externe Kraft in eine Auslenkung um, welche die Lichtmenge modifiziert, die innerhalb des bzw. der Sensoren 40 unterbrochen wird. Auch schützt das Gehäuse 32 die Sensoren 40, die über ein Befestigungselement 42 an einem Sensorstützelement 44 im Sensorgehäuse 32 montiert sein können. Das Sensorgehäuse 32 schließlich befestigt den Sensor an den in 1 gezeigten Griffen 20. Jedes Sensorgehäuse 32 enthält mindestens einen Sensor 40, wobei mehrere Gehäuse miteinander verbunden sind, um eine Krafterfassung in jede der Kartesischen x-, y- und z-Richtungen und/oder eine Drehmomenterfassung in die θ-Richtung bereitzustellen, wie nachstehend mit Bezug auf 5 erläutert wird.
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Bei der Ausführungsform von 2 umfasst ein Sensorgehäuse 32 erste Abschnitte 34 und einen zweiten Abschnitt 36. Die ersten Abschnitte 34 können im Wesentlichen starr oder fest sein, während der zweite Abschnitt 36 zumindest teilweise relativ elastisch, biegbar oder flexibel sein kann, d. h. sich in Ansprechen auf die tatsächlich aufgebrachte Kraft (Pfeil F) auf die in 1 gezeigten Griffe 20 biegen oder krümmen darf. Das Sensorgehäuse 32 kann aus einem beliebigen geeigneten Kunststoff, Metall oder Verbundmaterial aufgebaut sein, das die gewünschten Materialeigenschaften aufweist. Eine Bewegung des zweiten Abschnitts 36 oder eines Fortsatzes derselben, wie in 2A gezeigt ist, in Ansprechen auf die aufgebrachte Kraft modifiziert eine Unterbrechung eines Lichtstrahls, der im Sensor 40 übertragen wird. Elektrische Messwerte vom Sensor 40 werden dann an den Controller 23 von 1 als die Eingangssignale 11 übermittelt. Die Werte der Eingangssignale 11 werden dann vom Controller 23 und dem Algorithmus 100 verwendet, um die aufgebrachte Kraft (Pfeil F) zu berechnen, die ein Bediener 12 auf das in 1 gezeigte Griffepaar 20 aufbringt.
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Mit Bezug auf 2A umfasst ein Sensorgehäuse 132 bei einer anderen Ausführungsform einen ersten Abschnitt 134 und einen zweiten Abschnitt 136. Der erste Abschnitt 134 kann mindestens ein Parallelogramm umfassen, das jeweils aus einem geeigneten elastischen Element 137, beispielsweise Blattfedern, aufgebaut ist, welches in der Messrichtung im Wesentlichen nachgiebig ist und in allen anderen Richtungen im Wesentlichen starr ist. Wegen der erheblichen Nachgiebigkeit führt eine entlang der Messrichtung aufgebrachte Kraft zu einer Auslenkung, die von dem oder den Sensoren 40 gemessen werden kann.
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Wegen der wesentlichen Starrheit führt außerdem eine Kraft, die entlang der anderen Richtungen aufgebracht wird, zu Auslenkungen, die so klein sind, dass eine Störung der Messung des Sensors 40 vermieden wird. Bei einer derartigen Ausführungsform können zwei Parallelogramme in Serie gestapelt sein, wobei das erste Parallelogramm den äußeren Abschnitt des elastischen Elements 137 bildet und das zweite Parallelogramm den inneren Abschnitt des elastischen Elements 137 bildet. Bei noch einer anderen Ausführungsform kann nur ein Parallelogramm verwendet sein, das im Verhältnis zu der Ausführungsform mit zwei Parallelogrammen starrer ist.
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Das Gehäuse 132 umfasst den ersten Abschnitt 134 und den zweiten Abschnitt 136, die durch das Parallelogramm gekoppelt sind, das durch die elastischen Elemente 137 gebildet wird, z. B. wie gezeigt zwei dünne Blattfedern. Um den Bewegungsbereich zwischen den zwei Abschnitten zu begrenzen und um die elastischen Elemente 137 vor potentiell fehlgeleiteten Kräften entlang der Messrichtung zu schützen, können die Abschnitte 134, 136 durch kleine Spalte 139 getrennt sein. Es wird angemerkt, dass die Kräfte und Drehmomente, denen in den anderen Richtungen widerstanden werden kann, aufgrund der Konstruktion des Parallelogramms, das wie gezeigt aus Blattfedern besteht, sehr groß sind. Ein Lichtunterbrechungsende 136A ist als ein Teil des Abschnitts 136 bereitgestellt oder mit diesem verbunden, während die Sensoren 40 durch ein Stützelement 44 am zweiten Abschnitt 136 angebracht sind.
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Zur korrekten Verwendung sollten die Sensoren 40 so positioniert sein, dass ein relativer Kollektorstrom (siehe 4) von etwa 50% erhalten wird, wenn auf das Sensorgehäuse 132 keine Kraft aufgebracht wird. Da der Messbereich sehr klein ist, sollten die Sensoren 40 präzise angeordnet sein. Um eine optimale Präzision zu erreichen, kann ein Einstellsystem integriert sein. Das Stützelement 44 ist am zweiten Abschnitt 136 durch zwei Befestigungselemente 42 angebracht, die am Stützelement ziehen. Außerdem bringen nachgiebige Gummiringe 70, die zwischen das Stützelement 44 und den zweiten Abschnitt 136 eingebracht sind, eine Druckkraft auf das Stützelement auf. Daher ist eine Feineinstellung des Orts des Stützelements 44 und der daran angebrachten Sensoren 40 möglich, indem die Befestigungselemente 42 angezogen und gelockert werden. Sobald die Sensoren 40 korrekt positioniert sind, bringt ein weiteres Befestigungselement 42A eine Druckkraft auf das Stützelement 44 auf, um es starr zu befestigen.
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Mit Bezug auf 3 und 4 ist der Sensor 40 ausgestaltet, um einen Spannungsausgangswert auf der Grundlage der Lichtmenge zu erzeugen, die durch diesen hindurchgeleitet wird. Der Sensor 40 kann dies erledigen, indem er einen Prozentsatz eines empfangenen Teils eines emittierten Lichts, z. B. eines Lichtstrahls, misst. In einer Ausführungsform kann der Sensor 40 ausgelegt sein, um die Auslenkung unter Verwendung einer Hall-Spannung eines Halleffekt-Sensors zu messen, statt dass er als eine Lichtschranke ausgestaltet ist, wie in der Technik gut verstanden wird. Die Lichtmenge variiert in Verbindung mit der tatsächlichen Eingabekraft (Pfeil F), die auf das Griffepaar 20 von 1 aufgebracht wird. Das heißt, dass eine Linie 51, wie im Graph 49 von 4 gezeigt ist, eine Beziehung zwischen einer Verbiegungsdistanz des flexiblen zweiten Abschnitts 36 (siehe 2) des Sensorgehäuses 32 und einer durch den Sensor 40 detektierten Lichtmenge beschreibt, welche hier als ein detektierter Stromwert dargestellt ist. Bei dieser speziellen Ausführungsform führt eine Verbiegung des zweiten Abschnitts 36 des Sensorgehäuses 32 (siehe 2) oder eines Teils davon von etwa 1,5 mm zu einer vollständigen Blockierung des Lichtstrahls. Die Linie 51 dient jedoch zur Veranschaulichung und ihre Trajektorie kann in Abhängigkeit von der Konstruktion des Sensors 40 und jedes Sensorgehäuses 32 (siehe 2) variieren.
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Wie in 3 gezeigt ist, umfasst der Sensor 40 einen Lichtemitter 45 und einen Lichtempfänger 46. Der Emitter 45 kann beispielsweise als ein Infrarot-Emitter (IR-Emitter), eine Licht emittierende Diode (LED), ein sichtbarer Rot/Grün/Blau-Laser (RGB-Laser) oder eine beliebige andere Einrichtung ausgestaltet sein, die zur Erzeugung und Emittierung eines detektierbaren Lichtstrahls 47 in der Lage ist. Der Empfänger 46 kann als ein Fototransistor, als Fotorezeptorzellen oder eine beliebige andere Einrichtung ausgestaltet sein, die zum Empfangen von Licht, das vom Emitter 45 emittiert wird, in der Lage ist. In einem Abschnitt des Sensors 40 kann ein Montageloch 43 ausgebildet sein, beispielsweise wie gezeigt in der Nähe von Stiften oder Leitungen 48, und zur Aufnahme eines Befestigungselements 42 (siehe 2) ausgelegt sein, das zur Montage der Sensors am Stützelement 44 (siehe 2) geeignet ist.
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Mit Bezug auf 5 sind im Umfang der Erfindung eine Vielzahl von Sensoren 40A, 40B, 40C, die der Einfachheit halber schematisch gezeigt sind, seriell angeordnet, um eine Verbiegung von Abschnitten 36, 136 von einem oder mehreren Gehäusen 32, 132, die vorstehend beschrieben sind, in einer gegebenen Kartesischen Richtung, d. h. jeder der x-, y- und z-Richtungen, oder eines Drehmoments in der θ-Richtung wie vorstehend erwähnt, zu erfassen. Wie nachstehend mit Bezug auf 6 in größerem Detail erläutert wird, kann ein Ende eines Sensors 40A von 5 mit einem Ende eines Sensors 40B verbunden sein, während das andere Ende mit den Griffen 20 (siehe 1) verbunden ist. Das andere Ende von Sensor 40B kann dann mit einem Ende eines Sensors 40C verbunden sein, wobei das verbleibende Ende des Sensors 40C mit dem Gerät 15 verbunden ist. Auf diese Weise kann eine serielle Kette von den Griffen 20 durch jeden Sensor 40A, 40B, 40C und zu einer stationären Halterung, z. B. dem Gerät 15 gebildet werden. Die vom Bediener 12 auf die Griffe 20 aufgebrachte Eingabekraft modifiziert die Unterbrechung der Lichtübertragung in mindestens einem der Sensoren 40A, 40B, 40C in der vorstehend beschriebenen seriellen Kette.
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Zur Messung in der y-Richtung ist ein Paar von Sensoren 40A in jeweiligen Gehäusen 32, 132 (siehe 2 bzw. 2A), je einer auf jeder Seite der Griffe 20, 120 (siehe 7 bzw. 7A) untergebracht. Durch Verwenden des Sensorpaars 40A kann auch ein Drehmoment um die z-Achse herum gemessen werden. Ein weiterer Sensor 40B kann in einem weiteren Gehäuse 32 untergebracht und so positioniert sein, dass er eine Verbiegung des Abschnitts 36 in die x-Richtung misst. Schließlich kann ein Sensor 40C in einem Gehäuse 32 untergebracht und so positioniert sein, dass er eine Verbiegung eines Abschnitts 36 in die z-Richtung misst.
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Mit Bezug auf 6 umfasst eine Sensoranordnung 50 gemäß einer Ausführungsform, die mit dem HRI-System 10 von 1 verwendbar ist, die Sensoren 40A, 40B und 40C, die in 5 schematisch gezeigt und vorstehend erläutert sind. Das Sensorgehäuse 32B von Sensor 40B kann innerhalb eines Sensorgehäuses 32C von Sensor 40C positioniert sein, wobei die Gehäuse 32B, 32C dieser Sensoren über Befestigungselemente 56 an einem Montagestück 54 befestigt sind. Das Montagestück 54 umfasst Füße 57 mit Montagelöchern 58, wobei die Füße an einer ausreichend starren Oberfläche 64 (siehe 7) befestigt sind, z. B. einer Oberfläche des Bediengeräts 16 oder einer anderen starren Oberfläche. Jeder der Sensoren 40A (siehe 5) ist in einem jeweiligen der Sensorgehäuse 32A enthalten und kann über Verbindungselemente 52 und Befestigungselemente 56 derart gekoppelt sein, dass die Sensorgehäuse 32A in Verbindung mit den Sensorgehäusen 32B, 32C eine allgemein T-förmige Struktur bilden.
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Für die Verbindung der verschiedenen Gehäuse 32, d. h. der Gehäuse 32A, 32B und 32C, können die äußeren Abschnitte 34 des Gehäuses 32A mit den Griffen 20 von 1 und 7 verbunden sein. Der Abschnitt 36 von Gehäuse 32A kann mit dem Abschnitt 36 von Gehäuse 32B verbunden sein, wobei die Abschnitte 36 in 2 gezeigt sind. Erste Abschnitte 34 des Gehäuses 32B können mit dem zweiten Abschnitt 36 des Gehäuses 32C verbunden sein, wobei der Abschnitt 36 in 2 gezeigt ist. Der Abschnitt 36 des Gehäuses 32C kann mit dem Montagestück 54 verbunden sein.
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Mit Bezug auf 7 und 7A ist eine Griffanordnung 60, 160, die mit dem HRI-System 10 von 1 verwendbar ist, und mit den Gehäusen 32 von 2 bzw. 132 von 2A gezeigt. Die Griffanordnung 60, 160 umfasst die Griffe 20 und die in 3 gezeigten Sensoren 40, von denen die Gehäuse 32B, 32C und die Verbindungselemente 52 in 7 gezeigt sind und Abschnitte 134, 136 von verschiedenen Gehäusen 136 in 7A gezeigt sind. Ein Mittelgehäuse 62 der Sensoranordnung ist mit den Gehäusen 32, 132 drehbar verbunden und ausgelegt, um die Sensoranordnung zu enthalten, z. B. die Anordnung 50 von 6. Jeder Griff 20 ist dann am Mittelgehäuse 62 starr angebracht. Daher ist jeder Griff 20 über das Mittelgehäuse 62 mit der Sensoranordnung darin derart verbunden, dass eine auf die Griffe 20 aufgebrachte Kraft schließlich eine Unterbrechung einer Lichtübertragung im Sensor 40 (siehe 3) modifiziert, der in diesem Sensorgehäuse 32, 132 wie hier vorstehend beschrieben positioniert ist.
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Mit Bezug auf 8 ist der Algorithmus 100 über den Controller 23 von 1 ausführbar und beginnt mit Schritt 102, bei dem der Bediener 12 von 1 eine tatsächliche Eingabekraft (Pfeil F) auf jeden Griff 20 aufbringt. Wie vorstehend erläutert wurde, krümmt oder biegt ein Aufbringen dieser Kraft durch einen Bediener schließlich den zweiten Abschnitt 36, 136 von einem oder mehreren Sensorgehäusen 32, 132, die in 2 bzw. 2A gezeigt sind. Dieses Verbiegen eines Abschnitts 36, 136 verursacht eine Modifikation bei einem Betrag an Unterbrechung einer Lichtübertragung durch einen Emitter 45 von einem oder mehreren der Sensoren 40 (siehe 3).
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Schritt 102 umfasst daher das Detektieren eines Niveaus oder Betrags an Lichtunterbrechung über den Controller 23, d. h. durch Messen der Lichtmenge, die einen oder mehrere der Empfänger 46 erreicht, mit einer Frequenz des Abtastsystems. Bei jedem Zyklus der kalibrierten Abtastrate wird der Controller den Sensorwert aufnehmen und auf Steuerbefehle hin auswerten. Nachdem eine Spannung, ein Strom oder ein anderes geeignetes elektrisches Signal auf diese Weise erzeugt oder anderweitig ermittelt wurde, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 104 weiter.
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Bei Schritt 104 berechnet der Controller 23 unter Verwendung des elektrischen Signals vom Sensor 40, d. h. der in 1 gezeigten Eingangssignale 11, den Auslenkungsbetrag der zweiten Abschnitte 36 der Gehäuse 32A, 32B und 32C von 6. Schritt 104 kann beispielsweise eine direkte Berechnung unter Verwendung bekannter Größen und Dimensionen der Gehäuse 32A, 32B und 32C und bekannter Eigenschaften des Emitters 45 und/oder durch Bezugnahme auf eine oder mehrere kalibrierte Nachschlagetabellen 31, die für den Controller 23 zugänglich sind, wie in 1 gezeigt, umfassen. Sobald die Auslenkung ermittelt worden ist, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 106 weiter.
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Bei Schritt 106 ermittelt der Controller 23 eine berechnete aufgebrachte Kraft unter Verwendung der Auslenkung, die von der auf die Griffe 20 aufgebrachten tatsächlichen Eingabekraft (Pfeil F) verursacht wird, d. h. unter Verwendung des Verbiegungswerts von Schritt 104. Wiederum kann der Controller 23 auf die Nachschlagetabellen 31 zugreifen, die in Abhängigkeit vom Entwurf eine oder mehrere Nachschlagetabellen sein können. Der Controller 23 kann die aufgebrachte Kraft auch unter Verwendung des Verbiegungswerts und bekannter physikalischer Eigenschaften der Sensorgehäuse 32 berechnen, z. B. der Steifigkeit, der Festigkeit, der Elastizität usw. Nachdem die aufgebrachte Kraft korrekt ermittelt wurde, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 108 weiter.
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Bei Schritt 108 steuert der Controller 23 einen Betrieb des Roboters 14 (siehe 1) oder eines beliebigen anderen Systems unter Verwendung der Griffe 20, wobei die berechnete Eingabekraft wie vorstehend erläutert verwendet wird, und durch Übertragen des Steuerungsbefehls auf der Grundlage der berechneten Eingabekraft über die Steuerungs- und Rückkopplungsdaten (Doppelpfeil 13) an den Roboter. Dann ist ein Durchlauf des Algorithmus 100 beendet. Der Algorithmus 100 kann pro Zyklus einmal ausgeführt werden, wie vorstehend bei Schritt 102 angemerkt wurde.
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Obwohl die besten Arten zur Ausführung der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.
