DE19723719A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer Gegengewichtskraft bei einem Manipulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gegengewichtskraft bei einem Manipulator gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 4.

Manipulatoren im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Vorrichtungen, die durch Bereitstellung einer Gegengewichtskraft auf elektromotorischem, pneumatischem oder anderem Wege eine quasi schwerelose Hub- oder Senkbewegung von Lasten ermöglichen.

Eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art ist beispielsweise aus einem Katalog der Firma Dalmec bekannt. Ein Ausgleichszylinder erlaubt durch ein Hebelsystem den Gewichtsausgleich bzw. die Gegengewichtskrafterzeugung einer Aufnahmevorrichtung unter Last. Grundsätzlich werden bei dieser Unterart von Manipulatoren Gelenk- oder Hebelarmsysteme eingesetzt, bei denen der eigentliche Hauptlastarm an einem Drehpunkt gelagert ist. Dieser Drehpunkt ist so gelagert bzw. das Lager so befestigt, das derselbe entweder ortsfest oder mit einem bewegbaren Laufwagen verbunden ist. Außer diesem oberen Hebel können weitere Hebel in entsprechender Winkelposition und drehbeweglich daran befestigt sein. Wesentlich ist hier jedoch der obere Hebelarm, der auch Parallelogrammarm genannt wird. Am langen Hebelarmabschnitt greift letztendlich die zu bewegende Last an. An dem entsprechend kurzen Hebelarmstück greift der Ausgleichszylinder zur Erzeugung der Gegengewichtskraft an. Mittels solcher Hebelarm-Manipulatoren werden zumeist schwere oder unhandliche Gegenstände - beispielsweise bei der Automobilfertigung - über kurze Strecken transportiert oder zu montierende Einzelteile über einen kurzen Zeitraum in einer gewünschten Position gehalten. Damit der Ausgleichszylinder zur Erzeugung der Gegenkraft auch in kontrollierter Weise arbeitet und bei Lastwechsel oder Lastabwurf keine unkontrollierte schlagartige Bewegung des Hebelarmsystems bewirkt wird, kann ein solches System geregelt werden. Bei einem Hebelarm-Manipulator der bekannten Art erfolgt dies mittels elektronischer und elektropneumatischer Mittel und einem relativ aufwendigen vorherigen Abgleichverfahren. Dafür werden zwei Druckregelkreise benötigt. Bei einer Laständerung muß der zweite Regelkreis manuell verstellt werden, um den neuen Belastungsfall auszugleichen. Bei dem hier vorliegenden bekannten Hebelarm-Manipulator ist daher nur eine begrenzte Anzahl von Gewichten handhabbar, wobei die Gewichte vorab noch eingestellt und optimiert werden müssen. Solche Optimierungsprozesse sind langwierig und die Beschränkung auf eine nur geringe Anzahl unterschiedlicher Gewichtskräfte ist von Nachteil. Außerdem haben Schwankungen im Drucknetz sowie Leckagen im System einen negativen Einfluß auf das optimierte Druckniveau im Ausgleichszylinder.

Eine Lösung für einen automatischen Abgleich der Gegengewichtskraft entsprechend der Last geht aus der DE-OS 44 15 518 hervor. Hierbei liefert ein Lastsensor in Abhängigkeit der Last ein elektrisches Signal, das über eine Steuerung ein Druckregelventil ansteuert, so daß über einen Pneumatikzylinder die Last in der Schwebe gehalten wird. Bei dieser bekannten Anordnung ist wegen der automatischen Balancierung ein manueller Abgleich der aufzunehmenden Last nicht mehr nötig.

Insbesondere die Hebelarm-Manipulatoren besitzen einen Hebelarm, der um eine Standsäule oder eine hängende, stationäre oder bewegbare Haltevorrichtung drehbar gelagert ist. Zusätzlich kann für eine vertikale Schwenkbewegung der Hebelarm als Parallelogrammgestänge ausgeführt werden, um in jeder möglichen Position des Hebelarms eine senkrechte Ausrichtung des Hebelarms über dem Lastaufnahmemittel zu erreichen. Die statischen Eigengewichtsmomente werden durch reitende, verschiebbare Gegengewichte oder gemeinsam mit den von der Anhängelast oder von einer dynamischen Bewegung herrührenden Momenten durch einen hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagten Druckmittelzylinder austariert und balanciert. Die DE-PS 31 27 879 beschreibt einen derartigen Manipulator mit einem als Parallelogrammgestänge ausgebildeten Hebelarm, der an einem waagerechten Träger um eine Vertikale und eine waagerechte Schwenkachse schwenkbar gelagert und mit einer Schwenkvorrichtung zum Hochschwenken des Hebelarms verbunden ist. Eine Sicherheitsvorrichtung blockiert hier bei einer plötzlich auftretenden groben Differenz zwischen Last- und Kraftmoment - beispielsweise beim unbeabsichtigten Lösen der zu Hebelarms verbunden ist. Eine Sicherheitsvorrichtung blockiert hier bei einer plötzlich auftretenden groben Differenz zwischen Last- und Kraftmoment - beispielsweise beim unbeabsichtigten Lösen der zu bewegenden Last - selbsttätig in jeder Stellung eine Schwenkbewegung des Hebelarms. Die Sicherheitsvorrichtung besteht hier aus einem Sicherheitsgurt und/oder einer mechanischen Bremse am Druckmittelzylinder.

Insgesamt bedürfen bekannte Manipulatoren mit bekannten Sicherheitsvorrichtungen einer komplizierten Steuerung und einen hohen Aufwand an Konstruktionselementen. Weiterhin ermöglichen bekannte Manipulatoren zwar das Ausbalancieren einer Last; zu ihrer Bewegung sind jedoch insbesondere bei hohen Lasten große Anfangskräfte zur Beschleunigung der Last aus ihrer Ruheposition erforderlich. Insoweit ist ihre Handhabung recht unkomfortabel.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Manipulator zu schaffen, der einerseits sicherheitstechnischen Anforderungen genügt und andererseits eine einfache störungssichere und insoweit zuverlässige Steuerung besitzt, die zudem eine komfortable Bedienung des Manipulators ermöglicht.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsichtlich einer Vorrichtung wird die gestellte Aufgabe durch den Patentanspruch 4 gelöst.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, daß ein komfortables Verfahren zum Betrieb eines Manipulators darin besteht, daß nach einer Aufnahme der Last zu ihrem weiteren Heben oder Senken zunächst der Richtungssinn der Vertikalkomponente der beabsichtigten Bewegungsrichtung (Heben oder Senken) ermittelt wird. Danach wird eine dem ermittelten Richtungssinn entsprechende geringfügige Gegengewichtskrafterhöhung bzw. -verminderung herbeigeführt. Diese wird so lange aufrechterhalten, bis eine gewünschte Sollposition der Last erreicht ist. Eine die Erfindung verbessernde Maßnahme besteht darin, daß nach einmaliger Ermittlung der Gewichtskraft die Gewichtskraftermittlung abgeschaltet wird. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, daß nach Abschalten der Gewichtskraftermittlung störende Lastbeeinflussungen - wie beispielsweise durch die Bedienung - unberücksichtigt bleiben. Die Mittel zum Erkennen, ob ein Heben oder ein Senken der Last beabsichtigt ist, ermöglichen es, beispielsweise bei der Verwendung von Druckmittelzylindern zur Gegengewichtskrafterzeugung eine geringfügige Druckerhöhung oder -verminderung herbeizuführen, um damit die Bewegung in der beabsichtigten Richtung zu unterstützen. Die geringfügige Druckerhöhung oder -verminderung dient der Überwindung der Reibungskraft, die durch die Reibung in den Gelenken und Lagern des Manipulators bewirkt wird und die ansonsten der Bediener gemeinsam mit der Beschleunigungskraft für die Bewegung der Last aufbringen muß. Da diese Reibung mit zunehmender Last größer wird, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Bedienungserleichterung besonders bei hohen Lasten. Ist das Heben oder Senken beendet, kann das Arbeitsspiel des Manipulators durch Erreichen einer Sollposition abgeschlossen sein. Es ist jedoch auch möglich, entsprechend einer anderen durch den Bediener vorgegebenen Richtung, ein weiteres Heben oder Senken mit einer geringfügigen, die Bewegungsrichtung unterstützenden Gegengewichtskrafterhöhung bzw. -verminderung zu unterstützen.

Zur Sicherheit ist es vorgesehen, den Manipulator dann in seiner Lage zu arretieren, wenn der Bediener ihn los läßt. Dies kann zum einen bewußt erfolgen, nachdem die Soll-Position der Last erreicht ist und die Last fixiert werden soll oder zum anderen auch umbewußt, wenn der Manipulator - beispielsweise infolge eines Defektes der Druckmittelzufuhr - unbeabsichtigte Bewegungen ausführt und der Bediener infolge dessen das Gerät los läßt. Dieses Verfahren gestattet einen zuverlässigen und sicheren Betrieb des Manipulators.

Zur vorrichtungsmäßigen Umsetzung des Verfahrens ist an einem Bedienungsgriff des Manipulators mindestens ein mit der Bremseinheit in Wirkverbindung stehender Berührungssensor vorgesehen. Mindestens ein Richtungssensor, der zur Erfassung der Vertikalkomponente einer beabsichtigten Bewegungsrichtung mit der Steuerelektronik verbunden ist, ist ebenfalls am Bedienungsgriff angeordnet. Dabei ist der Berührungssensor vorzugsweise als ein im Bedienungsgriff integrierter Mikrotaster ausgeführt. Zur Umsetzung einer Erkennung der beabsichtigten Bewegungsrichtung ist vorteilhafterweise der Bedienungsgriff im Bereich beispielsweise eines Lastarms vertikal beweglich angelenkt und betätigt in mindestens einer Endlage den als Mikrotaster ausgeführten Richtungssensor. Es ist auch denkbar, jeweils einen Richtungssensor an beiden Endlagen des schwenkbaren Bedienungsgriffes vorzusehen. Zur zusätzlichen Sicherung ist die Bremseinheit am Druckmittelzylinder pneumatisch über ein Ventil ansteuerbar, welches federrückgestellt ist, so daß bei einer Störung der Luft- oder Stromzufuhr die Bremse automatisch betätigt wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, den Bedienungsgriff zur Bewegung der Last örtlich zwischen der Last und dem Lastsensor anzuordnen. Hierbei entfallen dann separate Richtungssensoren in Form von Mikrotastern. Die Erkennung der beabsichtigten Bewegungsrichtung wird bei dieser Ausgestaltungsform mit vom Lastsensor übernommen. Der Lastsensor erkennt die beabsichtigte Bewegungsrichtung durch Abweichungen des ansonsten konstanten Meßwertes der Last, die dadurch bewirkt werden, daß der Bediener eine Kraft in Hub- oder Senkrichtung auszuüben beabsichtigt. Die Verarbeitung einer derart erzeugten Abweichung des Meßwertes erfolgt analog zur Signalverarbeitung der Richtungssensoren in oben beschriebener Weise.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Manipulators und

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung eines Bewegungsablaufes.

Die Fig. 1 gibt eine Gesamtübersicht über alle funktional aufeinander einwirkenden Einzelelemente. Die dort vereinfacht dargestellten Manipulatorelemente stellen den Manipulator nicht in seiner letztendlichen Bauform dar, sondern nur in den wesentlichen Elementen. So besteht beispielsweise der Manipulator hier im wesentlichen aus einem Parallelogrammgestänge mit einem feststehenden Teil - in der Figur schraffiert dargestellt - so wie einem Lastarm 5. An dessen einem Ende greift die Last 7 mit einer Gewichtskraft G an. Zwischen der eingehängten Last 7 und dem äußeren Ende des Lastarmes 5 ist der Lastsensor 6 angeordnet. An dem gegenüberliegenden Ende des Lastarmes 5 ist ein Arbeitszylinder 1 angelenkt. Dieser besteht aus einem Kolben-Zylinder-Aggregat, welches druckmittelgesteuert ist. Ferner ist eine Bremseinrichtung 3 innerhalb oder an dem Arbeitszylinder 1 angeordnet, die beispielsweise auf die Kolbenstange des druckmittelbetriebenen Arbeitszylinders 1 mechanisch bremsend einwirken kann. Die Bremseinrichtung 3 wird über ein 3/2-Wege­ ventil 4 angesteuert. Bei Strom- bzw. Druckmittelausfall wird das Wegeventil mittels Federkraft zurückgestellt. Die Bremseinrichtung 3 wird ebenfalls mit der Federkraft aktiviert. Der Manipulator bleibt dann in dieser gesicherten Stellung stehen.

Abhängig von der über den Lastsensor 6 ermittelten Gewichtskraft, die der Steuerelektronik 8 an ihrem Eingang 8e zugeführt wird, erzeugt die Steuerelektronik an ihrem Ausgang 8a ein Ansteuersignal für den EP-Umsetzer 2. Das Steuersignal am Ausgang 8a der Steuerelektronik 8 wird dem EP-Umsetzer 2 als Soll-Wert zugeführt. Ebenfalls am Ausgang 8a der Steuerelektronik 8 liegt ein Signal zur Ansteuerung des 3/2-Wegeventil 4 vor, welches die Bremseinrichtung 3 ansteuert. Weiterhin ist als Berührungssensor 9 ein Taster vorgesehen, der einen Freigabebefehl an die Bremseinrichtung 3 gibt. Wenn der Freigabetaster 9 nicht gedrückt ist, bleibt der Manipulator in der Sicherheitsstellung - also gebremst - stehen und gefährdet damit nicht seine Umgebung. An einem nicht in der Fig. 1 dargestellten Bedienungsgriff zwischen dem Lastarm 5 und dem Lastsensor 6 sind die Taster 11a und 11b angeordnet. Sie werden über den vertikal schwenkbaren Bedienungsgriff betätigt, wenn dieser eine Endlage erreicht hat. Mit diesem Richtungssensor ist feststellbar, ob mit dem Manipulator eine Hub- oder Senkbewegung ausgeführt werden soll. Wird beispielsweise der Taster 11a aktiviert, um eine Hubbewegung einzuleiten, gibt die Steuerelektronik 8 ein zusätzliches Steuersignal an den EP-Umsetzer 2, um einen Zusatzdruck im Arbeitszylinder 1 zu erzeugen. Dieser Zusatzdruck kann mit einem Potentiometer 12a in der Steuerelektronik 8 so eingestellt werden, daß gerade die gesamte Reibung in den Gelenken des Parallelogrammgestänges kompensiert wird. Analog dazu ist für eine Senkbewegung der Taster 11b zu aktivieren. Bei Aktivierung des Schalters 11b wird der Druck im Arbeitszylinder um einen geringen Betrag abgesenkt, so daß gerade die Reibung für eine Senkbewegung des Gewichtes kompensiert wird. Die erforderliche manuelle Kraft, um eine Bewegung einzuleiten, tendiert damit gegen Null. In dem Fall, daß weder der Taster 11a noch der Taster 11b betätigt ist, bleibt das System in Ruhe. Dies wird allein durch die Reibung bewirkt. Dieser Fall tritt auch ein, wenn eine Bewegungsphase (Hub- oder Senkbewegung) beendet ist. Die Steuerung des Manipulators ist so ausgelegt, daß sie bei einer Laständerung, insbesondere auch bei eingebremstem Zustand der Last, die aktuelle Gewichtskraft erfaßt und sofort ausregelt. Die Verwendung von EP-Umsetzern 2 mit hohem Durchfluß gestattet eine sehr schnelle Ausregelung.

Fig. 2 zeigt prinzipiell die Drücke Pa im Arbeitszylinder 1 für einen kompletten Hub- und Senkbewegungszyklus. Für ein reibungsloses System wäre ein konstanter Druck Pa für diesen Bewegungszyklus notwendig. Reale Systeme sind jedoch stets reibungsbehaftet, so daß eine manuelle Kraft entsprechend einem geringfügigen Zusatzdruck erforderlich ist, um diese Hysterese mit Hilfe der Richtungserkennung so weit wie möglich zu kompensieren.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, insbesondere eines Hebel- Manipulators, bei dem eine angreifende Gewichtskraft einer Last stetig gemessen und aus derselben elektronisch eine Gegengewichtskraft ermittelt und durchgesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Aufnahme der Last zu ihrem weiteren Heben oder Senken

• a) der Richtungssinn der Vertikalkomponente der beabsichtigten Bewegungsrichtung (Heben oder Senken) ermittelt wird,
• b) eine dem ermittelten Richtungssinn entsprechende geringfügige Gegengewichtskrafterhöhung bzw. -verminderung herbeigeführt wird und
• c) solange aufrechterhalten wird, bis eine gewünschte Sollposition der Last erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach anfänglichem Einmessen der Gewichtskraft der Last die Gewichtskraftermittlung außer Betrieb gesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Loslassen des Manipulators oder nach einer Schalterbetätigung die Last automatisch arretiert wird.

4. Vorrichtung zur Erzeugung einer Gegengewichtskraft bei einem Manipulator, insbesondere bei einem Hebelarm-Manipulator, mit einer über ein Getriebe bewegbaren Last, die mit einem eine Gegengewichtskraft erzeugenden Antrieb balancierbar ist, wobei im Bereich der Last ein die Gewichtskraft einer Last aufnehmender Lastsensor vorgesehen ist, der ausgangsseitig mit einer Steuerelektronik verbunden ist, über welche ein Stellglied ansteuerbar ist, mit welchem der Antrieb kraftabhängig ansteuerbar ist, wobei der Antrieb mit einer Bremseinrichtung sicherbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an oder bei einem Bedienungsmittel des Manipulators mindestens ein mit der Bremseinrichtung (3) in Wirkverbindung stehender Berührungssensor (9) sowie mindestens ein Richtungssensor angeordnet ist, der zur Erfassung der Vertikalkomponente einer beabsichtigten Bewegungsrichtung mit der Steuerelektronik (8) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Bedienungsmittel ein Bedienungsgriff vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührungssensor (9) als ein im Bedienungsmittel integrierter Mikrotaster oder Initiator ausgeführt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedienungsmittel am Manipulator im Bereich außerhalb der Last (7) vertikal beweglich angelenkt ist und daß in mindestens einer seiner beiden Endlagen der als Taster (11a, 11b) ausgeführte Richtungssensor betätigbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedienungsmittel zwischen dem Lastsensor (6) und der Last (7) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein separater Taster (11a) zur Ermittlung einer beabsichtigten Hubbewegung und ein weiterer separater Taster (11b) zur Ermittlung einer beabsichtigten Senkbewegung im Bereich des Bedienungsmittels angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremseinrichtung (3) pneumatisch über ein Wegeventil (4) ansteuerbar ist, welches derart federrückgestellt ist, daß bei einer Störung der Druckmittel- oder Stromzufuhr die Bremseinrichtung (3) zum Eingriff kommt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied als EP-Umsetzer (2) ein elektropneumatisches Druckregelventil ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb ein Druckmittelzylinder (1) und als Getriebe ein Hebelsystem mit Lastarm (5) vorgesehen ist.