DE102013206696B4

DE102013206696B4 - Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Handhabungseinrichtung

Info

Publication number: DE102013206696B4
Application number: DE102013206696.1A
Authority: DE
Inventors: Franz Ehrenleitner
Original assignee: EB-INVENT GmbH; EB INVENT GmbH
Current assignee: EB-INVENT GmbH; EB INVENT GmbH
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: DE102013206696A1

Abstract

Vorrichtung zur Steuerung einer Handhabungseinrichtung mit einer an einem Nutzende der Handhabungseinrichtung angeordneten Masse durch einwirkende äußere Kräfte, insbesondere zur manuellen Steuerung einer Trageinrichtung, einer Lasthebe- und/oder Lastführungsvorrichtung, eines Roboters, eines Manipulators oder dergleichen, umfassend
- eine mit dem Nutzende der Handhabungseinrichtung ortsfest verbindbare feste Plattform (2),
- eine die Masse aufnehmende oder mit der Masse verbindbare beweglicher Plattform (3) und
- eine zwischen der festen Plattform (2) und der beweglichen Plattform (3) angeordnete Kopplungseinrichtung, wobei
- die feste Plattform (2) und die bewegliche Plattform (3) über die Kopplungseinrichtung in mindestens einem Freiheitsgrad beweglich miteinander verbunden sind, so dass die bewegliche Plattform (3) gegenüber der festen Plattform (2) durch eine einwirkende äußere Kraft in mindestens eine Richtung aus einer Nulllage um eine Strecke und/oder einen Winkel auslenkbar ist,
- zwischen der festen Plattform (2) und der bewegliche Plattform (3) Führungen vorgesehen sind, wobei die bewegliche Plattform (3) mittels der Führungen geführt ist,
- die Vorrichtung ein Wegmesssystem aufweist, das ausgebildet und eingerichtet ist, um eine Länge und/oder einen Winkel der Auslenkung der beweglichen Plattform (3) gegenüber der festen Plattform (2) aus der Nulllage zu erfassen,
- die Vorrichtung eine Steuervorrichtung aufweist, die ausgebildet und eingerichtet ist, um die mittels des Wegmesssystems erfasste Auslenkung in Steuersignale für eine die Bewegung der Handhabungseinrichtung steuernde Steuereinrichtung zum Nachführen der Handhabungseinrichtung zu transformieren, um die feste Plattform (2) relativ zu der beweglichen Plattform (3) in die Nulllage zurückzuführen und
- die Kopplungseinrichtung eingerichtet und ausgebildet ist, um eine Rückstellkraft aufzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft auf zumindest zwei unterschiedliche Werte festlegbar ist, um bedarfsweise eine nachgiebige oder eine steife Verbindung zwischen der festen Plattform (2) und der beweglichen Plattform (3) zu realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Handhabungseinrichtung mit einer an einem Nutzende der Handhabungseinrichtung aufgenommen Masse durch einwirkende äußere Kräfte.
Handhabungseinrichtungen, wie Lasthebe- und/oder Lastführungsvorrichtungen, Roboter, Manipulatoren oder dergleichen, sind in zahlreichen Gebieten, insbesondere in der Montage, aber auch zur Bewegung von Geräten beispielsweise in der Medizintechnik und/oder zur Bewegung von Personen eingesetzt. Roboter kommen insbesondere für eine vollautomatische oder eine halbautomatische Montage zum Einsatz. Manipulatoren oder Balancer erleichtern eine Bewegung großer Massen, beispielsweise für eine manuelle Montage. Dabei ist es bekannt, insbesondere für Fügeaufgaben mit geringen Toleranzen, großer Massen und/oder empfindlichen Oberflächen, eine Handsteuerung oder manuelle Steuerung an der Handhabungseinrichtung vorzusehen.
Aus DE 100 65 847 A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Handsteuerung, insbesondere eines Fahr- und/oder Hubantriebs einer Lasthebeeinrichtung, bekannt, die ein Steuerelement nach Art eines umgreifbaren Handgriffs zur Eingabe zumindest eines Sollwerts durch Beaufschlagung des Steuerelements mit einer Handkraft und mindestens einen mit dem Steuerelement gekoppelten elektrischen Wandler zum Umsetzen der in einer vorgesehenen Richtung wirkenden Handkraft in ein elektrisches Signal aufweist, wobei das Steuerelement in der oder jeder vorgesehenen Richtung vorgespannt ist und der oder jeder Wandler eine zu einem Kraftsensor gehörende Sensorfläche umfasst, die quer zu der vorgesehenen Richtung angeordnet ist, und mit der das Steuerelement zusammenwirkt. Aufgrund der Vorspannung soll es die Vorrichtung ermöglichen, mit keinen oder nur sehr geringen Bewegungen (Verschwenkung, Verschiebung) des Steuerelements auszukommen.
Bei der aus DE 100 65 847 A1 bekannten Handsteuerung handelt es sich um eine Kraftsteuerung. Um eine Bewegung der Masse zu bewirken, muss bei einer derartigen Vorrichtung, ein Kraftsignal durch eine Steuereinheit ausgewertet und anschließend in ein Bewegungssignal umgewandelt werden. Auch bei Verwendung schneller Steuereinheiten zur Auswertung der Signale ist dabei eine gewisse Zeitdrift nicht vermeidbar.
Aus WO 01/32547 A1 ist ein System zur Steuerung der Bewegungen einer Lasthebevorrichtung unter Verwendung einer Kraftmesseinrichtung bekannt, wobei für eine Bewegung einer Last eine Kraft manuell an einem für die Last vorgesehenen Tragelement aufgebracht wird und eine anschließende Bewegung der Lasthebevorrichtung durch eine etwa gleichgerichtete, der gewünschten Bewegungsrichtung im wesentlichen entsprechende Kraft des Tragelements bewirkt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche eine zuverlässige und schnelle Bewegung einer Masse in eine Sollposition oder in Richtung einer Sollposition durch einwirkende äußere Kräfte, insbesondere durch eine manuelle Steuerung erlauben.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Steuerung einer Handhabungseinrichtung mit einer an einem Nutzende der Handhabungseinrichtung aufgenommenen Masse durch einwirkende äußere Kräfte, insbesondere zur manuellen Steuerung einer Trageinrichtung, einer Lasthebe- und/oder Lastführungsvorrichtung, eines Roboters, eines Manipulators oder dergleichen, umfassend eine mit dem Nutzende der Handhabungseinrichtung ortsfest verbindbare feste Plattform, eine die Masse aufnehmende oder mit der Masse verbindbare bewegliche Plattform und eine zwischen der festen Plattform und der beweglichen Plattform angeordnete Kopplungseinrichtung geschaffen, wobei die feste Plattform und die bewegliche Plattform über die Kopplungseinrichtung in mindestens einem Freiheitsgrad beweglich, d. h. verschieblich und/oder verdrehbar, miteinander verbunden sind, so dass die bewegliche Plattform gegenüber der festen Plattform durch eine einwirkende äußere Kraft in mindestens eine Richtung aus einer Nulllage um eine Strecke und/oder einen Winkel auslenkbar ist, zwischen der festen Plattform und der bewegliche Plattform Führungen vorgesehen sind und die bewegliche Plattform mittels der Führungen geführt ist, die Vorrichtung ein Wegmesssystem umfasst, das ausgebildet und eingerichtet ist, um eine Länge und/oder einen Winkel der Auslenkung der beweglichen Plattform gegenüber der festen Plattform aus der Nulllage zu erfassen, die Vorrichtung eine Steuervorrichtung aufweist, die ausgebildet und eingerichtet ist, um die Auslenkung zu erfassen und in Steuersignale für eine die Bewegung der Handhabungseinrichtung steuernde Steuereinrichtung zum Nachführen der Handhabungseinrichtung zu transformieren, um die feste Plattform relativ zu der beweglichen Plattform in die Nulllage zurückzuführen, und die Kopplungseinrichtung eingerichtet und ausgebildet ist, um eine auf zumindest zwei unterschiedliche Werte festlegbare Rückstellkraft aufzubringen, um bedarfsweise eine nachgiebige oder steife Verbindung zwischen der festen Plattform und der beweglichen Plattform zu realisieren.
Im Unterschied zum Stand der Technik, an welchem beispielsweise zwischen einer Handhabungseinrichtung und einer Masse ein als steife Kopplungseinrichtung wirkender Kraftsensor vorgesehen ist, ist eine bewegliche Verbindung zwischen der Masse und der Handhabungseinrichtung vorgesehen. Die Verbindung ist bedarfsweise als nachgiebige Verbindung oder steife Verbindung gestaltet, wobei als nachgiebige Verbindung im Sinne der Anmeldung verschiebliche oder verdrehbare Verbindungen bezeichnet werden, bei welchen der Bewegung nur geringe Rückstellkräfte entgegenwirken.
Ein Nutzer kann die Masse, beispielsweise eine aufgenommene Last und/oder ein durch die Handhabungseinrichtung geführtes Gerät, direkt und/oder indirekt an der beweglichen Plattform ergreifen und in eine Sollposition oder in Richtung einer Sollposition bewegen. Eine Verstellbewegung der beweglichen Plattform gegenüber der festen Plattform erfolgt in vorteilhaften Ausgestaltungen über eine - im Vergleich zu Systemen mit Kraftsensoren - relativ lange Strecke bzw. relativ große Winkel. Eine Relativbewegung zwischen den Plattformen ist begrenzt, wobei eine Auslegung durch den Fachmann geeignet erfolgt. Vorzugsweise wird ein Minimalwert für eine zulässige Strecke für die Auslenkung anhand von Parametern der Handhabungseinrichtung gewählt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht ein Minimalwert einer zulässigen Auslenkung einem Bremsweg s, s = 0.5*(v_max)²/a_max, mit einer maximal Geschwindigkeit v_max und einer maximalen Beschleunigung a_max. Die Vorrichtung ist für schwere Lasten besonders vorteilhaft. Für ein besonders sicheres Fügen oder Absetzen einer Last ist beispielweise die Last mittels der Handhabungseinrichtung bis auf einen dem Bremsweg entsprechenden Abstand zu einer Sollposition verfahrbar und anschließend in diesem Bereich mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung manuell durch Bewegung der Last und/oder der beweglichen Plattform positionierbar. Im Unterschied zu bekannten Montagearbeiten mittels einer Handhabungseinrichtung wird bei einer ungewünschten Kollision die Last nicht nach kürzestem Weg entsprechend ihrer Masse multipliziert mit der Schwerkraft wirken, sondern nur die Energie E = mv²/2, mit einer bewegten Masse m und einer Annäherungsgeschwindigkeit v, abgeben. Wenn die Annäherungsgeschwindigkeit v klein ist, kann auch bei großer Masse m und trotz langem Bremsweg ein Schaden für Maschinenteile oder schlimmer für Menschen ausgeschlossen werden.
Das Wegmesssystem ist in einer Ausgestaltung als optische Messeinrichtung gestaltet, welche an der Handhabungseinrichtung oder getrennt zu dieser angeordnet ist, um eine Position der aufgenommenen Masse und/oder der beweglichen Plattform zu erfassen. In anderen Ausgestaltungen ist die Messeinrichtung zumindest teilweise in die Kopplungseinrichtung integriert und beispielsweise als induktives Messsystem gestaltet.
Die Kopplungseinrichtung ist eingerichtet und ausgebildet, um eine Rückstellkraft aufzubringen. Wie beschrieben, ist erfindungsgemäß bedarfsweise eine nachgiebige Kopplung oder eine steife Kopplung der festen Plattform mit der beweglichen Plattform vorgesehen. Die nachgiebige Kopplung erlaubt es, die bewegliche Plattform relativ zu der festen Plattform ohne große Anstrengungen zu bewegen. Es sind jedoch Betriebszustände denkbar, in welchen eine nachgiebige Kopplung der festen Plattform mit der beweglichen Plattform nicht gewünscht ist. Beispielsweise ist bei einer Bewegung der Masse der Handhabungseinrichtung mittels der die Bewegung der Handhabungseinrichtung steuernden Steuereinrichtung über eine längere Strecke und mit einer hohen Geschwindigkeit eine Relativbewegung zwischen der beweglichen Plattform und der Handhabungseinrichtung aufgrund einer beweglichen Kopplung zu vermeiden. Zudem sollen auf die bewegliche Plattform einwirkende äußere Kräfte in bestimmten Situationen, beispielsweise bei einer Aufnahme einer Masse, einem Ablegen einer Masse und/oder einer Massenänderung, nicht oder erst bei Überschreiten eines hohen Schwellwerts zu einer Verstellbewegung der festen Plattform führen.
Die Kopplungseinrichtung ist eingerichtet und ausgebildet, um eine auf zumindest zwei unterschiedliche Werte festlegbare Rückstellkraft aufzubringen. Bei Anlegen einer niedrigen Rückstellkraft wird dabei eine hohe Nachgiebigkeit gewährleistet, wohingegen bei Anlegen einer hohen Rückstellkraft eine steife oder nahezu steife Verbindung geschaffen wird.
Die Kopplungseinrichtung umfasst in einer Ausgestaltung Federelemente und/oder Motoren, insbesondere momentengeregelte Motoren, zum Aufbringen einer Rückstellkraft.
In einer Ausgestaltung weist die Kopplungseinrichtung mindestens eine Zylinder-Kolben Einheit, insbesondere zwei antagonistische Zylinder-Kolben Einheiten auf. Die Zylinder-Kolben Einheiten dienen dabei in einer Ausgestaltung auch einer Führung der Relativbewegung zwischen der festen Plattform und der beweglichen Plattform. Eine Rückstellkraft und damit eine Nachgiebigkeit der Kopplungseinrichtung hängt dabei von einer Wirkfläche eines Kolbens und einem Druck in einem Arbeitsraum des Zylinders ab.
Die Zylinder-Kolben Einheiten sind in einer Ausgestaltung mittels Fixierelementen für eine Sperrung der nachgiebigen Verbindung zwischen der beweglichen Plattform und der festen Plattform fixierbar.
Alternativ oder zusätzlich zu den Fixierelementen umfasst in einer Ausgestaltung die Vorrichtung eine Druckquelle, wobei ein Arbeitsraum eines Zylinders der mindestens einen Zylinder-Kolben Einheit mit der Druckquelle verbindbar ist, um einen Druck in dem Arbeitsraum des Zylinders auf zumindest zwei unterschiedliche Werte zu bringen. Als Druckquelle wird im Zusammenhang mit der Anmeldung beispielsweise ein Vorrat eines Fluids in Kombination mit einer Einstellvorrichtung für den Druck des Fluids in dem Vorrat und/oder beim Austreten aus dem Vorrat bezeichnet.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung liegt der Kolben in einer Endlage oder Nulllage an einem Zylinderboden an. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird durch Anlegen eines hohen Drucks erreicht, dass der Kolben fest in einer Endlage oder Nulllage sitzt und erst bei Auftreten einen hohen Schwellwert übersteigender Kräfte in der entsprechenden Richtung eine Bewegung des Kolbens aus der Endlage erfolgt. Hohen Kräften in der Gegenrichtung, zum Zylinderboden hin, steht der Zylinderboden als Anschlag entgegen. Eine Bewegung ist daher nur bei Zerstörung möglich. Wenn eine Bewegung auch in dieser Richtung, der Gegenrichtung, möglich sein soll, was oft, aber nicht immer, der Fall ist, so werden zwei derartige Zylinder-Kolben Einheit gegengleich, bevorzugt symmetrisch zueinander, vorgesehen, und die Kolbenstangen der Zylinder-Kolben Einheit wirken auf Druckplatten der Plattform, von denen sie abheben können. Damit hält jede Zylinder-Kolben Einheit die bewegliche Plattform in einer Richtung in der Nulllage und ist in der Gegenrichtung wirkungslos.
Beim Anliegen des niedrigeren Drucks kann, wie oben beschrieben, die bewegliche Plattform ohne große Anstrengung aus der Nulllage entgegen der durch die Zylinder-Kolben Einheit aufgebrachten Kraft bewegt werden.
In einer Ausgestaltung sind mehrere, voneinander unterschiedliche niedrige und/oder hohe Drücke vorgesehen, welche in Abhängigkeit von der jeweiligen Situation angelegt werden.
Eine in vielen Anwendungsfällen wünschenswerte Weiterentwicklung der Erfindung erreicht man bei Verwendung eines kompressiblen Fluids, bevorzugt von Luft, wenn ein Tank mit dem Zylinderraum dauerhaft verbunden ist und im Betrieb die Verbindung vom Tank zur Druckquelle unterbrochen wird: Es arbeitet die Vorrichtung dann quasi als vorgespannte Feder, da mit zunehmender Verschiebung aus der Nulllage der Druck im Zylinder und im Tank steigt und damit auch die Rückstellkraft. Über die Wahl des Kolbendurchmessers, des Kolbenweges, somit des Kolbenvolumens, und passende Wahl des Volumens des Tanks (samt Verbindungsleitungen, etc.) kann eine Federkennlinie in weiten Grenzen vorbestimmt werden.
Wenn statt Luft ein inkompressibles Fluid, beispielsweise Hydrauliköl, verwendet wird, ist diese Weiterbildung bei Verwendung eines doppeltwirkenden Zylinders, der den Tank bildet und einseitig mit Druckluft gefüllt oder unter der Wirkung einer Feder steht, ebenfalls möglich.
Darüber hinaus ermöglicht die Ausgestaltung beispielsweise auch das Lüften des Arbeitsraums des Zylinders im Falle des Auslenkens und damit ein Absinken der Rückstellkraft auf Null.
Es können auch, gegebenenfalls zusätzlich zu den genannten Zylinder-Kolben Einheiten, eine oder mehrere doppeltwirkende Zylinder-Kolben Einheiten vorgesehen werden, durch die es möglich wird, zumindest bei einem anliegenden niedrigeren Druck den Kolben statt in der Endlage in einer Zwischenlage zu halten und so Bewegungen in beiden Richtungen des Kolbens zuzulassen. Dabei kommt es, anders als bei der Position des Kolbens in der Endlage, bei jeder Kraftänderung zu einer Lageänderung, was z.B. beim Absetzen einer Last in eine geometrisch definierte Aufnahme gewünscht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist eine mit der beweglichen Plattform verbundene Balancer-Einrichtung, insbesondere eine Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit, vorgesehen ist, die ausgebildet und eingerichtet ist, um an der beweglichen Plattform eine Haltekraft zu bewirken, die dem Gewicht der beweglichen Plattform einschließlich einer Masse entspricht und ihr entgegen gerichtet ist. Aufgrund der Balancer-Einrichtung müssen bei einer Steuerung durch äußere Kräfte, insbesondere bei einer manuellen Steuerung, keine Kräfte zur Überwindung der Schwerkraft aufgebracht werden, sodass die bewegliche Plattform samt Masse zu schweben scheint.
Anstelle oder zusätzlich zu einer Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit ist in einer Ausgestaltung eine Balancer-Einrichtung umfassend einen Motor, insbesondere einen momentengeregelten Motor, und/oder Federelement vorgesehen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer Handhabungseinrichtung mit einer an einem Nutzende der Handhabungseinrichtung aufgenommenen Last durch einwirkende äußere Kräfte, insbesondere zur manuellen Steuerung einer Trageinrichtung, einer Lasthebe- und/oder Lastführungsvorrichtung, eines Roboters, eines Manipulators oder dergleichen, mittels einer Vorrichtung umfassend eine mit dem Nutzende der Handhabungseinrichtung ortsfest verbindbare feste Plattform, eine die Masse aufnehmende oder mit der Masse verbindbare bewegliche Plattform und eine zwischen der festen Plattform und der beweglichen Plattform angeordnete Kopplungseinrichtung, wobei die feste Plattform und die bewegliche Plattform über die Kopplungseinrichtung in mindestens einem Freiheitsgrad beweglich miteinander verbunden sind, und wobei zwischen der festen Plattform und der bewegliche Plattform Führungen vorgesehen sind, geschaffen, umfassend die Schritte (a) Aufbringen einer äußeren Kraft auf die bewegliche Plattform, so dass die bewegliche Plattform gegenüber der festen Plattform in mindestens eine Richtung aus der Nulllage um eine Strecke und/oder einen Winkel ausgelenkt wird, wobei die bewegliche Plattform mittels der Führungen geführt wird, und wobei mittels der Kopplungseinrichtung eine Rückstellkraft aufgebracht wird, (b) Erfassen einer Länge und/oder eines Winkels der Auslenkung mittels eines Messsystems und (c) Generieren eines Stellsignals zum Nachführen der Handhabungseinrichtung, um die feste Plattform relativ zu der beweglichen Plattform in die Nulllage zurückzuführen, wobei ein Wert der Rückstellkraft auf einen von zumindest zwei unterschiedlichen Werten gebracht wird.
In anderen Worten ergreift ein Nutzer für eine manuelle Steuerung der Handhabungseinrichtung die Masse und/oder die bewegliche Plattform und bewegt diese relativ zu der festen Plattform in eine Sollposition oder in Richtung einer Sollposition. Die Auslenkung aus der Nulllage wird erfasst und Handhabungseinrichtung wird der Bewegung nachgeführt.
Mittels der Kopplungseinrichtung wird eine auf zumindest zwei unterschiedliche Werte festlegbare Rückstellkraft aufgebracht. Dadurch ist bedarfsweise oder situativ eine nachgiebige oder eine steife Verbindung zwischen der festen Plattform und der beweglichen Plattform realisierbar.
Die Kopplungseinrichtung weist in einer Ausgestaltung mindestens eine Zylinder-Kolben Einheit, insbesondere zwei antagonistische Zylinder-Kolben Einheiten auf, wobei die Vorrichtung eine, mit einem Arbeitsraum eines Zylinders der mindestens einen Zylinder-Kolben Einheit verbunden Druckquelle umfasst. Ein Druck in dem Arbeitsraum des Zylinders wird dabei in einer Ausgestaltung bedarfsweise auf einen von mindestens zwei möglichen, unterschiedlichen Wert gebracht. Dadurch ist eine Nachgiebigkeit der Kopplungseinrichtung situativ einstellbar.
Insbesondere ist vorgesehen, dass bei einem Bewegen der Masse mittels der Steuereinrichtung der Handhabungseinrichtung in einem Normalbetrieb ein Druck in dem Arbeitsraum des Zylinders auf einen höheren Wert gebracht wird, als für eine Steuerung durch äußere Kräfte. Beispielsweise ist dabei ein Umschalten zwischen einem Normalbetrieb der Handhabungseinrichtung mittels einer die Bewegung der Handhabungseinrichtung steuernde Steuereinrichtung und einem manuellen Betrieb mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist an der Vorrichtung eine mit der beweglichen Plattform verbundene Balancer-Einrichtung, insbesondere eine Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit, vorgesehen, die angetrieben wird, um an der beweglichen Plattform eine Haltekraft zu bewirken, die dem Gewicht der beweglichen Plattform einschließlich einer aufgenommenen Masse entspricht und ihr entgegen gerichtet ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet. Als Teil eines Ausführungsbeispiels beschriebene oder dargestellte Merkmale können ebenso in einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform der Erfindung zu erhalten.
In den Zeichnungen zeigen:

1: eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Nulllage,
2: eine Ansicht der Vorrichtung gemäß 1 in ausgelenkter Lage,
3: eine schematische Ansicht einer zu 1 ähnliche, zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Gewichtsausgleich in Nulllage,
4: eine Ansicht der Vorrichtung gemäß 1 in ausgelenkter Lage,
5 und 6: eine erfindungsgemäß ausgebildete Lasthebevorrichtung,
7 bis 9: eine Weiterbildung der Lasthebevorrichtung der 5 und 6;
10 und 11: eine Variante der Grundidee mit nur einer Kolben-Zylinder-Einheit,
12: eine Variante in Verbindung mit einer Parallelkinematik und
13: eine Variante in Verbindung mit einer seriellen Kinematik.

Die 1 und 2 zeigen, rein schematisch, eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit ihren wesentlichsten Bestandteilen. Diese sind eine feste Plattform 2 und eine gegenüber der festen Plattform 2 bewegliche Plattform 3. Die Bezeichnung „fest“ bezieht sich dabei nur auf ein der Vorrichtung 1 zugeordnetes lokales Bezugssystem. Die Vorrichtung 1 ist selbst in einem Raum bewegbar und beispielsweise mittels der festen Plattform 2 an einem freien Ende oder Nutzende einer Handhabungseinrichtung, wie einer Lasthebe- und/oder Lastführungsvorrichtung, eines Roboters, eines Manipulators oder dergleichen, angeordnet.
An der beweglichen Plattform 3 ist eine in den 1 und 2 nicht dargestellte Masse angeordnet oder aufgenommen. Obwohl die Vorrichtung 1 für schwere Lasten besonders vorteilhaft ist, soll der Ausdruck „Masse“ im Sinne der Anmeldung nicht auf diese Bedeutung beschränkend auszulegen sein. Vielmehr soll der Begriff „Masse“ beliebige Bauteile oder Werkzeuge genauso wie andere zu bewegende Massen, wie Personen, beschreiben. Bei Verwendung der Vorrichtung 1 mit einem Handhabungsroboter oder Arbeitsroboter kann es sich bei der Masse um ein Werkstück oder ein Werkzeug handeln, bei Verwendung der Vorrichtung 1 mit einem Manipulator meist um ein großvolumiges und massereiches Werkstück, bei Verwendung der Vorrichtung 1 mit Lasthebemaschinen um eine Last im klassischen Sinn.
Die feste Plattform 2 und die bewegliche Plattform 3 sind über eine Kopplungseinrichtung in mindestens einem Freiheitsgrad beweglich, insbesondere gegen eine Rückstellkraft nachgiebig beweglich miteinander verbunden, so dass die bewegliche Plattform 3 gegenüber der festen Plattform 2 durch einwirkende äußere Kräfte in mindestens eine Richtung aus einer Nulllage um eine Strecke und/oder einen Winkel in eine und/oder in Richtung einer Sollposition auslenkbar ist.
Die 1 und 2 zeigen eine einfache Variante, bei der die Kopplungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 nur einen Freiheitsgrad aufweist und ohne jedwede Berücksichtigung der Schwerkraft. Eine Relativbewegung zwischen der festen Plattform 2 und der beweglichen Plattform 3 in eine Richtung, beispielsweise mit horizontal verlaufender Bewegungsrichtung, ist in vielen Fällen ausreichend. Wenn mehrere Bewegungsrichtungen derart einstellbar ausgestaltet werden sollen, sind mehrere derartige Vorrichtungen 1 vorzusehen, die jeweils - ohne Berücksichtigung der Schwerkraft - für die Abdeckung einer Bewegungsrichtung dienen. Es sei angemerkt, dass in 1 und 2, so wie in den meisten folgenden Beispielen, Führungen oder Lagerelemente zwischen der festen Plattform 2 und der beweglichen Plattform 3 nicht dargestellt sind. Der Fachmann wird jedoch keine Mühe haben, diese zu ergänzen.
Die Kopplungseinrichtung umfasst in der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 1 zwei Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5, die, der Einfachheit halber und in Übereinstimmung mit ihrer Position in den 1 und 2 als rechte Zylinder-Kolben Einheit 4 und als linke Zylinder-Kolben Einheit 5 bezeichnet werden. Diese beiden Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5 sind einfach wirkend und stehen mit ihrem Arbeitsraum 9 über Verbindungsleitungen 7 mit einem gemeinsamen Tank 6 in Verbindung, der seinerseits wieder mit einer Druckquelle 8 in Verbindung steht.
Die rechte Zylinder-Kolben Einheit 4 weist eine Kolbenstange 10 auf, die passend mit dem zugehörigen Kolben verbunden ist, dito weist die zu ihr antagonistische linke Zylinder-Kolben Einheit 5 eine am Kolben befestigte linke Kolbenstange 11 auf. In der in 1 dargestellten Lage, die im Folgenden als Nulllage bezeichnet wird, sind die beiden Kolbenstangen 10, 11 voll ausgefahren und die zugehörigen Kolben liegen am jeweiligen Zylinderboden an. Die beiden Kolbenstangen wirken auf ein doppeltes Auflager 12, das fest mit der beweglichen Plattform 3 verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Auflager 12 mit zwei Rohren 13 versehen, die gelenkig an einem Arm 14 der beweglichen Plattform befestigt sind und in die die Kolbenstangen 10, 11 so weit ragen, dass sie an den Rohrböden anstoßen und fest anliegen.
Unter der Annahme eines entsprechenden Druckes p1 in den Arbeitsräumen 9 wirkt auf jede der beiden Kolbenstangen 10, 11 eine von der Größe der Kolbenfläche der beiden Zylinder-Kolben Einheiten abhängige, Kraft, die die bewegliche Plattform 3 in der Nulllage fixiert. Erst wenn auf die bewegliche Plattform 3 eine äußere Kraft in Richtung des Freiheitsgrades wirkt, die größer ist als die jeweilige Kraft auf die Kolbenstange, kommt es zu einer Verschiebung der beweglichen Plattform bezüglich der festen Plattform 2.
Diese Situation ist in 2 dargestellt, die ansonsten der 1 entspricht: Unter der Wirkung einer äußeren Kraft F1, die auf die bewegliche Plattform 3 in obigem Sinne nach links wirkt und die größer ist als die Kraft, die zufolge des Druckes p1 über die linke Zylinder-Kolben Einheit 5 auf die linke Kolbenstange 11 wirkt, verschiebt sich der Kolben der linken Zylinder-Kolben Einheit 5, presst Luft über die Verbindungsleitung 7 in den gemeinsamten Tank 6 und, über die weitere Verbindungsleitungen 7 in den Kolbenraum der rechten Zylinder-Kolben Einheit 4, deren Kolben allerdings bereits am Kolbenboden anliegt, sodass diese teilweise Verdrängung des Fluids aus dem Kolbenraum der linken Zylinder-Kolben Einheit 5 zu einer gewissen Erhöhung des Druckes im geschlossenen System führt. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, ist unter der Annahme, dass diese Darstellung annähernd proportional ist, dieser Druckanstieg ist allerdings sehr gering, die auf die linke Kolbenstange 11 wirkende Kraft bleibt somit weitgehend konstant.
Die Bewegung der beweglichen Plattform 3 bezüglich der festen Plattform 2 wird dadurch ermöglicht, dass das Auflager 12 der beweglichen Plattform 3 von der unbeweglich verbliebenen rechten Kolbenstange 10 abhebt und durch das zugehörige Rohr 13 die Kolbenstange 10 führt.
Die Vorrichtung 1 weist weiter ein nicht dargestelltes Wegmesssystem auf, das ausgebildet und eingerichtet ist, um eine Länge der Auslenkung der beweglichen Plattform 3 gegenüber der festen Plattform 2 aus der Nulllage zu erfassen. Schließlich weist die Vorrichtung 1 eine ebenfalls nicht dargestellte Steuervorrichtung auf, die ausgebildet und eingerichtet ist, um die erfasste Länge der Auslenkung in Steuersignale für eine die Bewegung der (nicht dargestellten) Handhabungseinrichtung steuernde Steuereinrichtung (nicht dargestellt) zum Nachführen der Handhabungseinrichtung zu transformieren, um die feste Plattform 2 relativ zu der beweglichen Plattform 3 wieder in die in 1 dargestellte Nulllage zurückzuführen.
Ein Verschieben der beweglichen Plattform 3 gegenüber der Plattform 2 soll ohne großen Kraftaufwand für einen Nutzer möglich sein. Ein Druck p1 in den Arbeitsräumen 9 während einem manuellen Positionieren mittels der Vorrichtung 1 ist daher gering gewählt. Um es gleichzeitig zu erlauben, die Vorrichtung 1 mit der Steuereinrichtung der Handhabungseinrichtung über größere Strecken und mit größeren Geschwindigkeiten zu bewegen, sind in einer Ausgestaltung nicht in den 1 und 2 dargestellte Fixierelemente vorgesehen. Mittels der Fixierelemente ist die bewegliche Plattform 3 bedarfsweise an der Plattform 2 fixierbar.
In der in 1 und 2 dargestellten Ausgestaltung ist alternativ zu einer Fixierung vorgesehen, den Druck in den Arbeitsräumen zu variieren. Um die Verbindung zwischen der festen Plattform 2 und der beweglichen Plattform 3 unter gewissen Umständen zumindest relativ weich oder nachgiebig auszubilden und unter anderen Umständen möglichst steif und fest, ist es dabei möglich, im ersten Fall den Druck p1 niedrig anzusetzen, wobei der niedrige Druck p1 ein Auslenken bereits bei niedrigeren einwirkenden Kräften erlaubt, und ihn im zweiten Fall auf einen (wesentlich) höheren Wert p2 anzuheben, wobei der Druck p2 ein Auslenken erst bei hohen und in der Regel nicht im Sollbetrieb einwirkenden Kräften erlaubt.
Die 3 und 4 zeigen eine insbesondere für einen Manipulator geeignete Weiterbildung der Erfindung, bei der für gleiche oder ähnliche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Da auch die Wirkungsweise dieser Bauteile die gleiche bleibt, wird für eine diesbezügliche ausführliche Erläuterung auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen. Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 ist bei der zweiten Ausgestaltung gemäß den 3 und 4 eine Verschieblichkeit der beweglichen Plattform 3 in vertikaler Richtung, somit auf und ab, vorgesehen. Auch die Orientierung der Kolbenstangen 10, 11 erfolgt vertikal. Um nun in diesem Fall das Gewicht der beweglichen Plattform 3 aufzunehmen, ist, mit der festen Plattform 2 verbunden, eine Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit 15 vorgesehen, die passend mit der beweglichen Plattform 3 verbunden ist. Der Arbeitsraum 16 der einfach wirkenden Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit 15 ist mit einer nicht dargestellten Druckquelle verbunden, die im Arbeitsraum 16 einen Druck herstellt und konstant hält, der, multipliziert mit der Wirkfläche des Kolbens 17, an der Kolbenstange und damit an der beweglichen Plattform 3 eine Haltekraft bewirkt, die dem Gewicht der beweglichen Plattform 3 entspricht und ihr entgegen gerichtet ist, sodass die Masse samt beweglicher Plattform 3 zu schweben scheint.
Es wird der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass, wie aus der schematischen Darstellung ersichtlich ist, in diesem Zusammenhang nicht auf auftretende Momente und Ähnliches eingegangen wird, es soll hier nur die Grundlage einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert werden.
Unter den obigen Prämissen wird nun die bewegliche Plattform 3 in vertikaler Richtung durch die Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit 15 in Schwebe gehalten und erscheint quasi schwerelos, während sie, unabhängig davon, durch die beiden Halte-Zylinder-Kolben Einheiten 4 und 5 (die wiederum antagonistisch zueinander sind) in der jeweiligen Höhe fixiert wird. Für eine Änderung der Höhe durch Aufbringen einer äußeren Kraft ist ein Druck im gemeinsamen Tank 6 gering gehalten, wobei die mittels der Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit 15 in Schwebe gehaltene und somit schwerelos erscheinende bewegliche Plattform 3 verschoben werden kann. Die bewegliche Plattform 2 wird anschließend nachgeführt. Für eine stabile Positionierung in der neuen Lage, wird ein hoher Druck in dem gemeinsamen Tank 6 angelegt und die bewegliche Plattform 3 in ihrer neuen Position fixiert.
Eine solche verschobene, aber noch nicht als neue Nulllage eingerichtete Position ist in 4 dargestellt, dort wurde die bewegliche Plattform 3 nach unten verschoben, in der unteren (linken) Zylinder-Kolben Einheit 5 ist der Kolben vom Zylinderboden abgehoben, die Kolbenstange der oberen (rechten) Zylinder-Kolben Einheit 4 hat keinen Kontakt mehr mit dem Auflager 12, in der Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit 15 ist der Kolben verschoben, zufolge des in diesem Zylinders konstant gehaltenen Luftdruckes tritt keine Rückstellkraft auf, die Kraft zum Schweben der beweglichen Plattform 3 wird allerdings weiterhin und auch kontinuierlich zur Verfügung gestellt.
Die Auslenkung der beweglichen Plattform 3 aus einer Nulllage ist auch in dieser Ausgestaltung erfassbar und die zugehörige Handhabungseinrichtung antreibbar, um die feste Plattform 2 relativ zu der beweglichen Plattform 3 zu bewegen, so dass die feste Plattform 3 relativ zu der beweglichen Plattform 2 in die Nulllage gebracht wird.
Wie aus den Figuren und der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die bewegliche Plattform 3 in diesen rein schematisch dargestellten und erläuterten Beispielen direkt durch die nicht dargestellten Führungen geführt und weist auch das Auflager 12 auf, in den praktischen Fällen ist es so gut wie immer so, dass eine passende bewegliche Plattform die Führungen und das Auflager aufweist und darüber hinaus auf dieser beweglichen Plattform die eigentliche Masse (eine Person, eine Schwerlast, ein Werkzeug etc.) aufgenommen ist. Dass es dann nochmals möglich ist, Bewegungsmöglichkeiten zwischen der beweglichen Plattform 3 und der eigentlichen Masse vorzusehen, sei nur der Vollständigkeit halber erwähnt, weiters wird auf das Ausführungsbeispiel entsprechend den 7 bis 9 verwiesen.
Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß die Auslenkung der beweglichen Plattform 3 aus der Nulllage festgestellt, um in Abhängigkeit der erfassten Auslenkung die Handhabungseinrichtung, beispielsweise der Roboter, der Manipulator, die Lasthebevorrichtung etc., an der sich die feste Plattform 2 befindet, zu betreiben und/oder deren vorbestimmten Betrieb zu adaptieren und/oder deren Lage zu ändern.
Bei einem Manipulator, wie er den 3 und 4 in eindimensionaler Form zu entnehmen ist, kann durch Erfassen der manuell bewirkten Auslenkung aus der Nulllage eine hydraulische, pneumatische, oder sonstige Vorrichtung, an der die feste Plattform 2 befestigt ist, dazu gebracht werden sich in der Richtung zu bewegen, die die Auslenkung kleiner werden lässt. Auf diese Weise ist eine Verschiebung der beweglichen Plattform 3 in einem Ausmaß möglich, das weit über den Verschiebeweg der beiden Kolbenstangen 10, 11 hinausgeht und darüber hinaus ein manuelles Nachjustieren des Auflagers 12 überflüssig macht.
Es ist leicht ersichtlich, dass bei entsprechender Ausgestaltung der Erfindung eine Vorrichtung geschaffen werden kann, die in allen drei Dimensionen eines beispielsweise kartesischen Koordinatensystems durch manuelle Bewegung der Masse steuerbar ist. Die Masse wird hierzu mit der beweglichen Plattform 3 aus einer Nulllage gegenüber der festen Plattform 2 in eine oder mehrere Richtungen bewegt und die feste Plattform 2 nachgeführt. Durch entsprechende Ausbildung von Achsen- und Hebelarmen ist es möglich, das Gleiche auch mit der Drehbewegung der beweglichen Plattform um vorgegebene Achsen zu erreichen; dabei können die Zylinder-Kolben Einheiten beispielsweise an den mit den Achsen drehfest verbundenen Hebeln angreifen.
Vorzugsweise kann die Bewegung der beweglichen Plattform 3 gegenüber der festen Plattform 2 in der Nulllage gesperrt werden, so dass beispielsweise die Masse durch Aufbringen von äußeren Kräften bearbeitet werden kann, ohne dass die Masse bewegt wird. In einer Ausgestaltung erfolgt die Fixierung durch Änderung des Druckes in den Haltezylindern.
Auf gleiche Weise kann bei Robotern ein Werkstück erfasst werden: Wenn beim Anfahren des zu ergreifenden Werkstückes durch ein Verrutschen der Halteorgane als Folge des Auftreffens beispielsweise auf einen Positionierkegel oder eine Einführschiene oder dgl. ein Abweichen von der Nulllage erkannt wird, wird diese Längenänderung passend detektiert und der erhaltene Messwert bewirkt über die Steuerung des Roboters eine Nachpositionierung der festen Plattform, so dass auch hier mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung Ausgleichsbewegungen ermöglicht werden, deren Größe die weit über die durch die Haltezylinder selbst zur Verfügung gestellten Wege hinausgehen.
Dass unter bestimmten Umständen diese gemessenen Abweichungen von der Nulllage auch zu Sicherheitszwecken verwendet werden können, indem beim Auftreten bestimmter Abweichungen in vorbestimmten Betriebszuständen nicht einfach ein Nachgeben zum Wiederereichen der Nulllage vorgesehen ist, sondern ein möglichst rasches Zurückziehen in eine vorgegebene Sicherheitsposition, stellt nur einen weiteren Aspekt der Erfindung dar. Es kann beispielsweise eine solche spezielle Verfahrenssituation eine großräumige Zustellbewegung eines soeben ergriffenen Werkzeuges am Ende eines Knickarmroboters sein bei dem, abgesehen von den Trägheitskräften, keinerlei von außen auf die feste Plattform 2 wirkende Kräfte auftreten dürfen, jede auftretende Kraft muss als Folge einer Kollision angesehen werden und muss daher beim Auftreten in diesem Bewegungszustand zum sofortigen und raschestmöglichen Zurückziehen des Roboterarms in eine Sicherheitsposition führen. In Kenntnis der Erfindung ist dies bei einer erfindungsgemäß ausgestatteten Verbindung zwischen der festen Plattform 2 am Ende des Roboterarms und dem eigentlichen Werkzeugträger, der gemeinsam mit den zugehörigen Halteelementen der beweglichen Plattform 3 der bisherigen Beschreibung entspricht, für einen Programmierer auf dem Gebiete der Handhabungs- und Werkzeugroboter problemlos möglich. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn eine mögliche Strecke für eine Auslenkung wie oben beschrieben mindestens einem Bremsweg des Roboterarms entspricht.
Die 5 und 6 zeigen eine Lasthebevorrichtung 18 mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung. Die Lasthebevorrichtung 18 weist einen, gegebenenfalls entlang einer Führung verfahrbaren, Oberteil 19 und einen anhebbaren bzw. absenkbaren Untereil 20 auf. Diese Elemente, ebenso wie die eigentlichen Hebevorrichtungen und die Vorrichtungen zum Verhindern von Schwenkbewegungen sind im Stand der Technik bekannt und bedürfen hier keiner näheren Erläuterung.
Am Unterteil 20 ist eine feste Plattform 2 montiert, die eine bewegliche Plattform 3 trägt. Die Kopplungseinrichtung zur Verbindung dieser beiden Teile ist so gestaltet, dass die bewegliche Plattform 3 relativ zu der festen Plattform 2 entlang der drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems (auf - ab, links - rechts, vor - zurück) bewegbar ist; die rotatorischen Freiheitsgrade sind gesperrt. Der Aufbau der Kopplungseinrichtung ist folgender: An der festen Plattform 2 sind vier vertikal verlaufende Steher 21 kardanisch schwenkbar befestigt. Die unteren Enden der Steher 21 sind jeweils kardanisch schwenkbar paarweise auf einer zweigeteilten Zwischenplattform 22 befestigt. Die beiden Zwischenplattformen 22 sind, um parallele Achsen drehbar, mittels einer schräg verlaufenden Verbindung 23 miteinander gekoppelt und, um zwei zueinander parallele Achsen 24 drehbar, mit der beweglichen Plattform 3 verbunden.
Dieses System von Führungen zwischen der festen Plattform 2 und der beweglichen Plattform 3 wird nun durch eine vertikale Schwebe-Kolben-Zylinder Einheit 15 und, in jeder der beiden waagrechten Richtungen, durch zwei Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5, bzw. 4', 5', die so wie oben beschrieben aufgebaut sind und wirken, gehalten.
Wie schon mehrfach erwähnt, wird die Masse, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Motor 25, von der beweglichen Plattform 3 aufgenommen und ist damit mit ihr verfahrbar. Wie eingangs erwähnt, wird in einer Ausgestaltung während des Verfahrens mittels der Steuereinrichtung der Handhabungseinrichtung der Druck in den Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5; 4', 5' auf einem hohen Niveau gehalten, um die Verbindung zwischen der festen Plattform 2 und der beweglichen Plattform 2 steif zu halten; beim Ansteuern des Absetzpunktes wird der Druck verringert, um es der beweglichen Plattform 3 samt Motor 25 zu ermöglichen, beim Auffahren bzw. Einfahren auf Positionierstifte o. dgl. nachzugeben, ohne dass die gesamte Lasthebevorrichtung 18 neu positioniert werden muss.
Eine Ausgestaltung, die insbesondere bei der Verwendung als Manipulator nützlich ist, zeigen die 7 bis 9. Bei dieser Ausgestaltung ist die Vorrichtung an einer als Manipulator wirkenden und eingesetzten Lasthebevorrichtung 18, die genauso wie im vorstehenden Beispiel beschrieben ausgebildet ist, angeordnet. Die beweglichen Plattform 3 der Vorrichtung ist an einer Schwenkvorrichtung 26 befestigt, die es einer Tragplatte 27 ermöglicht, um einen deutlich unterhalb der Tragplatte 27 liegenden Zentralpunkt verschwenkt zu werden, ohne dass die bewegliche Plattform 3 sich dabei bewegt. Um dies zu erreichen, sind an der beweglichen Plattform 3 - wie in 9 erkennbar - zwei um schräge Achsen schwenkbare Oberarme 28 vorgesehen, die an ihren freien Enden wiederum schräge Achsen aufweisen, um die Unterarme 29 schwenkbar sind, an deren Enden schwenkbar eine gemeinsame Hülse befestigt ist, die fest mit der Tragplatte 27 verbunden ist. Als Bedingung ist nur verlangt, dass alle fünf Achsen sich in einem Punkt schneiden; solange dies der Fall ist, ist die Tragplatte 27 um diesen gemeinsamen Schnittpunkt, den Zentralpunkt, bei festgehaltener beweglicher Plattform 3 schwenkbar.
Wenn nun bei der Verwendung dieser Vorrichtung als Manipulator ein Benutzer den an der Tragplatte 27 befestigten Gegenstand, beispielsweise wieder einen Motor, verdrehen will, so kann er dies tun, ohne dass die bewegliche Plattform 3 bewegt wird, in dem die bewegliche Plattform 3 fixiert wird. Die Fixierung erfolgt beispielsweise durch Anlegen eines hohen Drucks in den Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5; 4', 5', Wenn der Benutzer die Höhe oder die Lage innerhalb einer horizontalen Ebene ändern will, ist es nur notwendig, wie oben beschrieben, den Druck in den Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5; 4', 5', abzusenken und die Bewegung vorzunehmen, es kann dann diese Bewegung durch entsprechende Sensoren erfasst werden und die erfasste Bewegung veranlasst die Steuereinrichtung der Lasthebevorrichtung 18 dazu, die der Lasthebevorrichtung 18 als Ganzes entsprechend zu bewegen, um die Position zwischen beweglicher Plattform 3 und fester Plattform 2 wieder in die Nulllage zu bringen. Nachdem die feste Plattform 2 wieder in die Nulllage relativ zu der beweglichen Plattform 2 gebracht wurde, kann der Benutzer den Druck in den Zylinder-Kolben Einheiten 4, 5; 4', 5' wieder auf das zum Halten vorgesehene Maß erhöhen, um während der folgenden Bearbeitung des Werkstückes, das an der beweglichen Plattform 3 direkt oder indirekt befestigt ist, jede ungewünschte Bewegung aufgrund einwirkender äußerer Kräfte zu verhindern.
Die 10 und 11 zeigen, teils in Ansicht, teils im Schnitt, einmal in Z-Richtung ausgelenkt, einmal in X-Y Richtung ausgelenkt, eine Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit nur einer Zylinder-Kolben Einheit 38 die drei translatorischen Achsen der Bewegung gemäß dem Ziel der Erfindung abdeckt, die drei rotatorischen Achsen sind durch die Führungen 39 gesperrt:
Diese Haltevorrichtung 30 weist einen sphärischen Kopf 31, der auf einem Kipphebel 32 ausgebildet ist und dazu bestimmt ist, sphärisch beweglich in der beweglichen Plattform 3 gelagert zu werden. Der Kipphebel 32 ruht mit seiner Unterseite auf einem Schieber 33, der verschieblich in einer Büchse 34 angeordnet ist, die mit der festen Plattform 2 verschieblich verbunden ist. Der Schieber 33 wiederum ist fest mit einer zeichnerisch nur schematisch angedeuteten Zylinder-Kolben Einheit 38 verbunden, die ihn gegenüber der Büchse 34 und damit der festen Plattform 2 fest hält. Diese Verschieblichkeit ist notwendig, um in axialer Richtung, der Z-Richtung, sowohl auf Druck, als auch auf Zug auslösen zu können.
Zur Fixierung des Zusammenhaltes des Mechanismus im Falle des Auslösens ist ein Stift 35 vorgesehen, der in fluchtenden Öffnungen der Büchse 17 sitzt und mittels axialer Schlitze im Schieber 33 dessen Bewegung im vorgesehenen Ausmaß erlaubt.
Eine Besonderheit bildet die geometrische Ausgestaltung des Kipphebels 32: seine Mantelfläche 37 ist ballig ausgebildet, sodass er im Inneren der Büchse 34, in der er oberhalb des Schiebers 33 angeordnet ist, spielfrei verkippt werden kann. Weiters ist seine Standfläche, mit der er am Schieber 33 aufliegt, mit einer zentralen Vertiefung (angedeutet durch eine starke Linie im Bodenbereich des Kolbens und ebenfalls mit dem Bezugszeichen 37 versehen) ausgebildet und seine Oberfläche, die zum Deckel der Büchse 34 hin gerichtet ist und durch die der Hals ragt, an dessen oberem Ende der Kopf 31 sitzt, ist ebenfalls mit einer kreisförmigen Vertiefung 36 versehen.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nun folgende: Solange die Zylinder-Kolben Einheit 38 den Kipphebel 32 in Nulllage hält ist die bewegliche Plattform 3 bezüglich der festen Plattform 2 als starrer Bauteil anzusehen. Wenn, wie in 10 dargestellt, Kräfte in Z-Richtung auf den sphärischen Kopf 31 wirken, die so groß sind, dass sie die Haltekraft der Zylinder-Kolben Einheit 38 übersteigen (9), so drückt der Kipphebel den Schieber 33 und damit den Kolben (oder Zylinder, je nach Einbaurichtung) der Zylinder-Kolben Einheit 38 in Z-Richtung nach unten, die bewegliche Plattform 3 kann gegenüber der festen Plattform 2 bewegt werden. Eventuelle Sensoren an der Zylinder-Kolben Einheit oder den Führungen stellen die Auslenkung fest leiten die Daten an eine Steuerung und diese sorgt für die für diesen Fall vorgesehenen Reaktionen.
Der Stift 19 begrenzt den Verschiebeweg der Werkzeugplattform 3 in Z-Richtung, kann daher in zahlreichen Anwendungen, wenn eine derartige Begrenzung durch die Zylinder-Kolben Einheit ausreicht, weggelassen werden.
Wenn nun Kräfte in X- oder Y-Richtung wirken (egal, ob auch Kräfte in Z-Richtung wirken), so erfolgt das Auslösen wie in 10 dargestellt.
Durch die Verschiebung des Kopfes 31 kippt der Kipphebel 32 um die sich ausbildende bzw. automatisch ergebende (horizontale) Kippachse und drückt dabei auf den Schieber 33 wiederum in Auslöserichtung, zusammenfallend mit der Z-Richtung. Wenn dabei die auftretende Kraft größer wird als die Auslösekraft, wie in 10 dargestellt, so kommt es wieder zur Bewegung der beweglichen Plattform 3. Eine eventuell wirkende Z-Komponente der auf die bewegliche Plattform 3 wirkenden Kraft addiert sich automatisch zu der durch den Kipphebel induzierten Kraft.
Durch passende Wahl des Abstandes zwischen dem Kopfmittelpunkt und der Höhe des Fußes des Kipphebels erreicht man es, dass Kraftkomponenten in X-, Y- und Z-Richtung gleichermaßen zu einer Resultierenden Auslösekraft in Z-Richtung bzw. Auslöserichtung auf den Schieber 33 wirken. Ebenso kann man passende Kraftunterschiede für verschiedene Auslöserichtungen vorsehen.
Die 12 zeigt, rein schematisch, eine Variante mit einer 3-2-1 Parallelkinematik, in Anbetracht der ausführlichen obigen Beschreibung wurde hier vom Eintrag von Bezugszeichen für die Zylinder Abstand genommen. Die oben dargestellte feste Plattform 2 ist über eine derartige Kinematik mit der unter ihr befindlichen beweglichen Plattform 3 verbunden. Das in der Ansicht am weitesten links befindliche Verbindungselement entspricht dem Tripod, das mittlere der Schere und das rechte dem Einzelaktuator; die möglichen Bewegungsrichtungen sind nur durch die zugehörigen erfindungsgemäß vorgesehenen Zylinder-Kolben Einheit angedeutet, die konstruktive Ausbildung der Parallelkinematik ist, als nicht zur Erfindung gehörig, nicht dargestellt. Die drei vertikal angeordneten Zylinder-Kolben Einheit dienen der Fixierung in der Z-Achse, die schräg angeordneten Zylinder-Kolben Einheit sind paarweise antagonistisch wirksam, auch wenn sie schräg und nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel fluchtend zueinander angeordnet sind, die geänderten Kraftverhältnisse sind durch die dem Konstrukteur bekannte Winkellage leicht zu berechnen.
Die 13 zeigt einen klassischen Support für eine Werkzeugmaschine, mit herkömmlichen, händisch einzustellenden Spindeln für die Verschiebung entlang der jeweiligen Achse. Es handelt sich um eine klassische serielle Kinematik, bei der jede Plattform alle weiteren trägt und somit im Sinne der Erfindung eine „reine“ feste Plattform 2 und eine „reine“ Beweglicher Plattform 3 vorhanden sind, alle dazwischen liegenden Plattformen sind gegenüber der „vorigen“ eine bewegliche Plattform, gegenüber der „folgenden“ eine feste Plattform. Mittels der Spindeln ist ein Verstellen der beweglichen Plattform 3 gegenüber der festen Plattform 2 möglich, wobei eine Auslenkung erfasst und in Stellsignale für eine mit der festen Plattform 2 verbundene Handhabungseinrichtung umsetzbar sind.
Die in der Beschreibung angeführten Varianten und Ausgestaltungen lassen sich kombinieren bzw. die Ausgestaltungen auch bei anderen Varianten als bei den beschriebenen anwenden. Insbesondere die durch das Auslösen der Vorrichtung bewirkten Reaktionen können die unterschiedlichsten sein, es sei nur auf die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sicherung gegen Diebstahl zufolge des Belastungsunterschieds in Fahrzeugen aller Art hingewiesen: Während des diebstahlsicheren Bewegens wird die bewegliche Plattform fest fixiert, beim Betrieb bei stillstehendem Fahrzeug beweglich gehalten und unter Umständen nachgeführt, beim Erkennen des Fehlens wird Alarm gegeben.
Die Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und können vom Fachmann auf dem jeweiligen Gebiet: Lasthebemaschinen, Roboter, Manipulatoren, etc., in Kenntnis der Erfindung und der spezifischen Anforderungen leicht ausgewählt und dimensioniert werden.
Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch kinematische Umkehrungen, etwa die Montage der Zylinder-Kolben Einheit an der beweglichen Plattform und des Auflagers an der festen Plattform, etc., da die beiden Plattformen nur durch ihre jeweilige Anordnung, d. h. Montage an einer Vorrichtung oder Verbindung mit einer Masse zu den unterschiedlichen Bezeichnungen kommen, ansonsten ist ihre Beziehung zueinander absolut symmetrisch und umkehrbar.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung einer Handhabungseinrichtung mit einer an einem Nutzende der Handhabungseinrichtung angeordneten Masse durch einwirkende äußere Kräfte, insbesondere zur manuellen Steuerung einer Trageinrichtung, einer Lasthebe- und/oder Lastführungsvorrichtung, eines Roboters, eines Manipulators oder dergleichen, umfassend - eine mit dem Nutzende der Handhabungseinrichtung ortsfest verbindbare feste Plattform (2), - eine die Masse aufnehmende oder mit der Masse verbindbare beweglicher Plattform (3) und - eine zwischen der festen Plattform (2) und der beweglichen Plattform (3) angeordnete Kopplungseinrichtung, wobei - die feste Plattform (2) und die bewegliche Plattform (3) über die Kopplungseinrichtung in mindestens einem Freiheitsgrad beweglich miteinander verbunden sind, so dass die bewegliche Plattform (3) gegenüber der festen Plattform (2) durch eine einwirkende äußere Kraft in mindestens eine Richtung aus einer Nulllage um eine Strecke und/oder einen Winkel auslenkbar ist, - zwischen der festen Plattform (2) und der bewegliche Plattform (3) Führungen vorgesehen sind, wobei die bewegliche Plattform (3) mittels der Führungen geführt ist, - die Vorrichtung ein Wegmesssystem aufweist, das ausgebildet und eingerichtet ist, um eine Länge und/oder einen Winkel der Auslenkung der beweglichen Plattform (3) gegenüber der festen Plattform (2) aus der Nulllage zu erfassen, - die Vorrichtung eine Steuervorrichtung aufweist, die ausgebildet und eingerichtet ist, um die mittels des Wegmesssystems erfasste Auslenkung in Steuersignale für eine die Bewegung der Handhabungseinrichtung steuernde Steuereinrichtung zum Nachführen der Handhabungseinrichtung zu transformieren, um die feste Plattform (2) relativ zu der beweglichen Plattform (3) in die Nulllage zurückzuführen und - die Kopplungseinrichtung eingerichtet und ausgebildet ist, um eine Rückstellkraft aufzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft auf zumindest zwei unterschiedliche Werte festlegbar ist, um bedarfsweise eine nachgiebige oder eine steife Verbindung zwischen der festen Plattform (2) und der beweglichen Plattform (3) zu realisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zylinder-Kolben Einheit (4, 5, 38), insbesondere zwei antagonistische Zylinder-Kolben Einheiten (4, 5) aufweist, wobei vorzugsweise die Vorrichtung (1) eine, mit einem Arbeitsraums eines Zylinders der mindestens einen Zylinder-Kolben Einheiten (4, 5, 38) verbindbare Druckquelle (8) umfasst, die eingerichtet und ausgebildet ist, um einen Druck in dem Arbeitsraum (9) des Zylinders auf zumindest zwei unterschiedliche Werte zu bringen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der festen Plattform (2) oder der beweglichen Plattform (3) mindestens zwei antagonistische Zylinder-Kolben Einheiten (4, 5) vorgesehen sind, die ein, bevorzugt gemeinsames, Auflager (12) auf der anderen Plattform (3, 2) kontaktieren, und dass beim Auslenken der beweglichen Plattform (3) eine der beiden Zylinder-Kolben Einheiten (4, 5) den Kontakt mit dem Auflager (12) verliert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der beweglichen Plattform (3) verbundene Balancer-Einrichtung, insbesondere eine Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit (15), vorgesehen ist, die ausgebildet und eingerichtet ist, um an der beweglichen Plattform (3) eine Haltekraft zu bewirken, die dem Gewicht der beweglichen Plattform (3) einschließlich einer aufgenommenen Masse entspricht und ihr entgegen gerichtet ist.
Verfahren zur Steuerung einer Handhabungseinrichtung mit einer an einem Nutzende der Handhabungseinrichtung aufgenommenen Masse durch einwirkende äußere Kräfte, insbesondere zur manuellen Steuerung einer Trageinrichtung, einer Lasthebe- und/oder Lastführungsvorrichtung, eines Roboters, eines Manipulators oder dergleichen, mittels einer Vorrichtung (1) umfassend eine mit dem Nutzende der Handhabungseinrichtung ortsfest verbindbare feste Plattform (2), eine die Masse aufnehmende oder mit der Masse verbindbare bewegliche Plattform (3) und eine zwischen der festen Plattform (2) und der beweglichen Plattform (3) angeordnete Kopplungseinrichtung, wobei die feste Plattform (2) und die bewegliche Plattform (3) über die Kopplungseinrichtung in mindestens einem Freiheitsgrad beweglich miteinander verbunden sind, und wobei zwischen der festen Plattform (2) und der bewegliche Plattform (3) Führungen vorgesehen sind, umfassend die Schritte - Aufbringen einer äußeren Kraft auf die bewegliche Plattform (3), so dass die bewegliche Plattform (3) gegenüber der festen Plattform (2) in mindestens eine Richtung aus der Nulllage um eine Strecke und/oder einen Winkel ausgelenkt wird, wobei die bewegliche Plattform (3) mittels der Führungen geführt wird, und wobei mittels der Kopplungseinrichtung eine Rückstellkraft aufgebracht wird, - Erfassen einer Länge und/oder eines Winkels der Auslenkung mittels eines Messsystems und - Generieren eines Stellsignals zum Nachführen der Handhabungseinrichtung, um die feste Plattform (2) relativ zu der beweglichen Plattform (3) in die Nulllage zurückzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert der Rückstellkraft auf einen von zumindest zwei unterschiedlichen Werten gebracht wird, um bedarfsweise eine nachgiebige oder eine steife Verbindung zwischen der festen Plattform (2) und der beweglichen Plattform (3) zu realisieren.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung mindestens eine Zylinder-Kolben Einheit (4, 5), insbesondere zwei antagonistische Zylinder-Kolben Einheiten (4, 5, 38), aufweist und die Vorrichtung (1) eine, mit einem Arbeitsraum eines Zylinders der mindestens einen Zylinder-Kolben Einheit (4, 5, 38) verbunden Druckquelle (8) umfasst, wobei ein Druck in dem Arbeitsraum (9) des Zylinders bedarfsweise auf einen von mindestens zwei möglichen, unterschiedliche Werte gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Bewegen der Masse mittels der Steuereinrichtung der Handhabungseinrichtung in einem Normalbetrieb ein Druck in dem Arbeitsraum (9) des Zylinders auf einen höheren Wert gebracht wird, als für eine Steuerung durch äußere Kräfte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Vorrichtung (1) eine mit der beweglichen Plattform (3) verbundene Balancer-Einrichtung, insbesondere eine Schwebe-Zylinder-Kolben Einheit (15), vorgesehen ist, die angetrieben wird, um an der beweglichen Plattform (3) eine Haltekraft zu bewirken, die dem Gewicht der beweglichen Plattform (3) einschließlich einer aufgenommenen Masse entspricht und ihr entgegen gerichtet ist.