DE19801839A1 - Vorrichtung zur Erzeugung einer Gegengewichtskraft bei einem Manipulator - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung einer Gegengewichtskraft bei einem ManipulatorInfo
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Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer
Gegengewichtskraft bei einem Manipulator, insbesondere einem Hebelarm-
Manipulator, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bekannte Manipulatoren ermöglichen das Ausbalancieren einer Last, wobei bei
automatischen Lösungen die von der Last hervorgerufene Gewichtskraft über einen
Lastsensor stetig erfaßt und als Eingangssignal von einer Elektronikeinheit zur
Ermittlung der Gegengewichtskraft verarbeitet wird, die von einem Antrieb über ein
Getriebe hergestellt wird.
Manipulatoren lassen sich beispielsweise klassifizieren in Hebelarm-Manipulatoren, die
das Ausbalancieren einer Last über ein System von Hebelarmen realisieren, in Seil-
Manipulatoren, die das Balancieren einer Last über eine Seiltrommel ermöglichen
sowie in Positionierern, die ein manuelles Verfahren von Lasten unterstützen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 44 15 518 ist ein Hebelarm-Manipulator
bekannt, bei dem ein automatischer Abgleich einer Gegengewichtskraft entsprechend
einer Last erfolgt. Hierbei liefert ein Lastsensor in Abhängigkeit der Last ein
elektrisches Signal, das über eine Elektronikeinheit ein Druckregelventil derart
ansteuert, das über einen die Gegengewichtskraft erzeugenden Pneumatikzylinder als
Antrieb die Last in der Schwebe gehalten wird. Hierbei ist der Lastsensor zur
Ermittlung der Gewichtskraft der Last im Kraftfluß zwischen ihr und dem
Pneumatikzylinder angeordnet.
Da hierbei Änderungen der störend eingewirkt. Ein weiteres Problem ergibt sich beim
Einsatz eines Manipulators in ungeschützter Umgebung, beispielsweise an Bord eines
Schiffes oder unter Tage. Durch Wärme- und Feuchtigkeitseinwirkung sind die
elektrischen oder elektronischen Komponenten bekannter Manipulatoren einer
erhöhten Ausfallgefahr unterlegen. Gerade an den vorstehend erwähnten Einsatzorten
besteht jedoch ein erhöhtes Bedürfnis für eine erleichterte Bewegung von Lasten. Die
eingangs beschriebene elektropneumatische Lösung mit integrierter Elektronikeinheit
eignet sich daher nur begrenzt für einen Einsatz in ungeschützter Umgebung.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Manipulator zu schaffen,
der zum einen einfach und komfortabel bedienbar ist und zum anderen insbesondere
in ungeschützter Umgebung zuverlässig einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung zur Erzeugung einer
Gegengewichtskraft bei einem Manipulator gemäß den Merkmalen im Oberbegriff
des Patentanspruches 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, daß eine die der beabsichtigten
Bewegungsrichtung der Last gleichgerichtete Bewegung eines Bedieners erfassende
und direkt in ein entsprechendes Drucksignal umwandelnde Betätigungseinheit
vorgesehen ist, über die ein druckmittelbetriebener Antrieb ansteuerbar ist. Dabei
besteht die Betätigungseinheit aus mindestens einem mechanisch betätigbaren Ventil
und ist am Manipulator derart befestigt, daß sie die Bewegung der Last simultan
begleitet, und somit einen hohen Bedienungskomfort gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt gänzlich ohne elektrische und elektronische
Bauteile aus und ist damit in ungeschützter Umgebung zuverlässig einsetzbar.
Lediglich eine Zuleitung von Speisedruck zum Betrieb der Druckmittelaggregate ist
vorzusehen. Selbst diese Zuleitung kann jedoch entfallen, wenn statt dessen ein am
Manipulator angeordneter Druckspeicher vorgesehen ist. In diesem Falle ist die
erfindungsgemäße Vorrichtung auch uneingeschränkt mobil
einsetzbar. Da die Betätigungseinrichtung vorzugsweise in der Nähe der Last
angeordnet ist und die Bewegung der Last simultan mitverfolgt und die
Betätigungseinrichtung die vom Bediener beabsichtigte Bewegungsrichtung erfaßt, ist
bei der erfindungsgemäßen Lösung eine einfache komfortable Bedienung des
Manipulators gegeben, die darüber hinaus wegen des Verzichts auf elektrische oder
elektronische Komponenten kostengünstig herstellbar ist. Als Antrieb wird
insbesondere ein einseitig beaufschlagbarer Pneumatikzylinder verwendet. Der Antrieb kann
mittels einer an seinem Abtrieb - beispielsweise einer Kolbenstange - an
geordneten pneumatisch angesteuerten Bremseinrichtung gesichert werden.
Eine die Erfindung im Hinblick auf eine einfache konstruktive Lösung verbessernde
Maßnahme besteht darin, daß die Betätigungseinheit vorzugsweise aus zwei
wechselseitig betätigbaren 2/2-Wegeventilen aufgebaut ist, wovon das eine Ventil die
beabsichtigte Bewegung der Last in eine Richtung und das andere Ventil die
beabsichtigte Bewegung der Last in die andere Richtung erfaßt und die Bewegung
unterstützt. Vorzugsweise sind beide 2/2-Wegeventile vertikal gegenüberliegend mit je
einem längsbeweglichen Betätigungsstößel einander zugewandt angeordnet, wobei
zur wechselseitigen Betätigung der Ventile zwischen den Betätigungsstößeln ein
Betätigungsquerelement hindurchgeführt ist. Das Betätigungsquerelement ist
vorteilhafter Weise an seinem einen Ende schwenkbar an einem Rahmen der
Betätigungseinheit über ein Lager befestigt und an seinem anderen Ende mit einem
Betätigungsgriff versehen, wobei das Betätigungsquerelement über seinen
Mittelbereich mit den beiden Betätigungsstößeln korrespondiert. Ebenso sind auch
andere Bauformen von Betätigungseinheiten denkbar, die in einem Handgriff integriert
sind und die beabsichtigte Bewegungsrichtung zur Ansteuerung der druckunterstützten
Bewegung einer Last erfassen.
Eine weitere, die Erfindung hinsichtlich des Bedienungskomforts verbessernde
Maßnahme besteht darin, daß parallel zu den vorzugsweise zwei gegenüberliegend
angeordneten Ventilen und zwischen dem Rahmen der Betätigungseinheit und dem
Betätigungsquerelement je eine Druckfeder mit einstellbarer Vorspannschraube
angeordnet ist. Damit kann das Drucksignal zur Druckmittelbeaufschlagung des
Pneumatikzylinders erst ab einer vorbestimmbaren Bedienungskraft am
Betätigungsgriff erhöht oder gesenkt werden. In Zusammenwirken mit einem
zusätzlichen Spalt zwischen dem Betätigungsquerelement und den
Betätigungsstößeln der Ventile kann die Systemreibung des Manipulators kompensiert
werden, so daß der Manipulator bei Nichtbetätigung allein aufgrund seiner
Systemreibung in jeder Stellung verharrt.
Vorzugsweise wird die Druckmittelansteuerung des Manipulators über Mikroventile mit
stetig verstellbarem Durchflußquerschnitt realisiert, die zur Verstärkung des
Drucksignals ausgangsseitig über eine Druckmittelleitung mit der Vorsteuerung eines
Relaisventils verbunden sind, an dessen Ausgang der druckmittelbetriebene Antrieb
angeschlossen ist. Diese Anordnung ermöglicht eine feinfühlige Betätigung zur
Bewegung schwerer Lasten. Es kann auch direkt an der Last - d. h. ohne Nutzung der
Betätigungseinheit - manipuliert werden, ohne daß das Berühren der Last einen
nachteiligen Einfluß auf die Ermittlung der Gegengewichtskraft hat.
Weiterhin kann in die Druckmittelverbindung zwischen Betätigungseinheit und
Relaisventil ein Druckbehälter als Ausgleichsvolumen angeordnet sein. Das integrierte
Verhalten des geschlossenen Volumens im Druckbehälter führt zu einem Druckanstieg
der Relaisansteuerung. Das Relaisventil mit seinem proportionalen Verhalten steuert
entsprechend dem Ansteuerdruck seinen Arbeitsdruck zur Befüllung des
pneumatischen Antriebes aus. Zwar besitzt das Relaisventil selbst ein geschlossenes
Volumen; das Volumen des Druckbehälters kann jedoch zusätzlich das Regelverhalten
der Anordnung verbessern. Aufgrund der Wirkungsweise des Relaisventils ist es dem
Bediener, wie bei bekannten elektropneumatischen Manipulatoren, auch möglich nach
dem Anheben die Last an jeder beliebigen Stelle zu manipulieren, da das Relaisventil
den Druck im pneumatischen Antrieb, d. h. in der Arbeitskammer eines
Pneumatikzylinders, konstant hält.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit
der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der
Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erzeugung einer
Gegengewichtskraft bei einem Hebelarm-Manipulator und
Fig. 2 eine schematische Detaildarstellung einer Betätigungseinheit des
Manipulators nach Fig. 1.
Bei einem Hebelarm-Manipulator nach Fig. 1 ist ein Hebelarm 1 in seinem
Mittelbereich um ein Lager 2 schwenkbar hängend gelagert, wobei eine Last 3 im
Bereich des einen Endes des Hebelarms 1 angelenkt ist. Die durch die Last 3
verursachte Gewichtskraft wird mittels eines gegengewichtskrafterzeugenden einseitig
beaufschlagbaren Pneumatikzylinder 4 derart ausgeglichen, daß die Last 3 über den
Hebelarm 1 leicht manipulierbar ist. Die Kolbenstange des Pneumatikzylinders 4 ist
über eine in der Figur nicht dargestellte pneumatisch ansteuerbare Bremseinrichtung
arretierbar, so daß damit eine sichere Bedienung des Manipulators gewährleistet
werden kann. Der Pneumatikzylinder 4 wird über ein Relaisventil 5 mit Druckmittel
beaufschlagt. Das Relaisventil 5 ist eingangsseitig über einen Druckbehälter 6 als
Ausgleichsvolumen mit einer mit zwei Ventilen 7 und 8 bestückten Betätigungseinheit
9 verbunden. Die Betätigungseinheit 9 entspricht einem pneumatischen Kraftsensor
und bildet die Schnittstelle zum Bediener des Manipulators. Infolge der
Krafteinwirkung des Bedieners auf die Betätigungseinheit 9 wird entsprechend der
Betätigungskraft Druckmittel auf den Druckbehälter 6, der mit der Vorsteuerung des
Relaisventils 5 verbunden ist, geführt. Das Relaisventil 5 mit seinem proportionalen
Verhalten steuert nun entsprechend dem eingangsseitigen Vorsteuerdruck seinen
ausgangsseitigen Arbeitsdruck zur Beaufschlagung des Pneumatikzylinders 4 aus.
Die Detaildarstellung der Betätigungseinheit 9 gemäß Fig. 2 zeigt das für die
Hubbewegung des Manipulators verantwortliche Ventil 7, welches zwischen dem
Rahmen 10 und einem das Ventil 7 betätigenden Betätigungsquerelement 11
angeordnet ist. Analog dazu ist das für die Senkbewegung des Manipulators
verantwortliche Ventil 8 gegenüber dem Ventil 7 zwischen dem Rahmen 10 und dem
Betätigungsquerelement 11 angeordnet. Die Ventile 7 und 8 sind am Rahmen 10
befestigt. Zwischen dem Ventil 7 oder 8 und dem Betätigungsquerelement 11 besteht
ein einstellbarer Spalt. Damit kommt der jeweilige Betätigungsstößel 16 bzw. 17 in
Ruhestellung nicht am Betätigungsquerelement zur Anlage. Der Spalt bewirkt, daß
erst ab einer bestimmten Kraft ein Druckaufbau auf das Relaisventil 5 erfolgt. Parallel
zu den Ventilen 7 und 8 befinden sich zwei hinsichtlich ihrer Vorspannung einstellbare
Druckfedern 12 und 13. Die Druckfedern 12 und 13 kommen an einem Ende am
Betätigungsquerelement 11 zur Anlage. Am anderen Ende stützen sich die
Druckfedern 12 und 13 an je einer Vorspannschraube 14 bzw. 15 ab. Die
Vorspannschrauben 14 und 15 wirken zwischen dem Rahmen 10 und den ihnen
zugeordneten Druckfedern 12 bzw. 13. Über die Vorspannschrauben 14 und 15 ist die
zur Bedienung des Manipulators erforderliche Betätigungskraft regulierbar. So ist
beispielsweise bei nur geringer Vorspannung der Druckfedern 12 und 13 mit geringer
Federkonstante nur eine geringe Betätigungskraft am Betätigungsquerelement 11
erforderlich, um auf die den Ventilen 7 und 8 zugeordneten Betätigungsstößeln 16
bzw. 17 einzuwirken, so daß sich der Manipulator bewegt. Der einstellbare Spalt und
die einstellbare Federvorspannung bestimmen damit die Kraftkennlinie der
Betätigungseinheit 9, die insoweit flexibel an ein gewünschtes Regelverhalten
anpaßbar ist.
Zur Aufbringung der Betätigungskraft auf die Betätigungseinheit 9 durch den Bediener
läuft das Betätigungsquerelement 11 an seinem Ende in einen Betätigungsgriff 18 aus.
An seinem anderen Ende ist das Betätigungsquerelement 11 am Rahmen 10 über ein
Lager 19 schwenkbar gelagert.
Das für das Heben der Last 3 vorgesehene Ventil 7 ist als federrückgestelltes
2/2-Wegeventil ausgeführt. In seiner Ruheposition befindet es sich in Abschlußstellung. In
seiner betätigten Position nimmt es eine Durchlaßstellung ein. Dabei wird eine
Druckquelle 19 mit einer den beiden Ventilen 7 und 8 gemeinsamen Arbeitsleitung 20
verbunden. Die Arbeitsleitung 20 leitet das Drucksignal über den Druckbehälter 6 zum
Relaisventil 5 weiter, von dem aus ein proportionales Drucksignal den einseitig
wirkenden Pneumatikzylinder 4 beaufschlagt, so daß schließlich ein Heben der Last 3
erfolgt.
Zum Senken der Last 3 ist das Ventil 8 - ebenfalls ein federrückgestelltes
2/2-Wegeventil - vorgesehen. Es befindet sich in seiner Ruheposition in Abschlußstellung.
Bei einer Betätigung über den Betätigungsstößel 17 gelangt es in seine
Durchlaßstellung. Somit ist die Arbeitsleitung 20 über ein Dämpferelement 21 mit der
Atmosphäre verbunden. Infolge dessen wird die Arbeitsleitung 20 entlüftet. Das
Drucksignal - als abfallender Druck - wird über den Druckbehälter 6 zum Relaisventil 5
weitergeleitet. Das Relaisventil 5 vermindert das Drucksignal proportional, so daß
letztlich ein Senken der Last 3 durch eine Entlüftung des Pneumatikzylinders 4 erfolgt.
Als Ventile 7 und 8 können sowohl einfache Schaltventile als auch Stetigventile zum
Einsatz kommen.
Die Betätigungseinheit 9 wirkt wie ein pneumatischer Kraftsensor mit integralem
Verhalten. Die Zeitkonstante des Integrators ergibt sich aus der Querschnittsöffnung
der Ventile 7 und 8 und der Größe des Vorsteuervolumens, das im wesentlichen vom
Volumen des Druckbehälters 6 bestimmt wird. Die Vorrichtung zur Erzeugung einer
Gegengewichtskraft bei einem Manipulator kommt gänzlich ohne elektrische Energie
aus. Sie ist damit selbst in ungeschützter Umgebung zuverlässig einsetzbar und
verfügt darüber hinaus über eine einfache und komfortable Bedienung.
1
Hebelarm
2
Lager
3
Last
4
Pneumatikzylinder
5
Relaisventil
6
Druckbehälter
7
Ventil, heben
8
Ventil, senken
9
Betätigungseinheit
10
Rahmen
11
Betätigungsquerelement
12
Druckfeder, heben
13
Druckfeder, senken
14
Vorspannschraube, heben
15
Vorspannschraube, senken
16
Betätigungsstößel, heben
17
Betätigungsstößel, senken
18
Betätigungsgriff
19
Druckquelle
20
Arbeitsleitung
21
Dämpferelement
Claims (13)
1. 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
druckmittelbetriebenen Antrieb balancierbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine die der beabsichtigten Bewegungsrichtung der Last (3) gleichgerichtete
Bewegung eines Bedieners erfassende und direkt in ein entsprechendes
Drucksignal umwandelnde Betätigungseinheit (9) vorgesehen ist, über die der
druckmittelbetriebe Antrieb ansteuerbar ist, wobei die Betätigungseinheit (9) aus
mindestens einem mechanisch betätigbaren Ventil (7, 8) besteht, das am
Manipulator die Bewegung der Last (3) simultan begleitend befestigt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Betätigungseinheit (9) aus zwei wechselseitig betätigbaren 2/2-Wege-
Ventilen (7, 8) aufgebaut ist, wovon das eine Ventil (7) die beabsichtigte
Bewegung der Last in eine Richtung und das andere Ventil (8) die beabsichtigte
Bewegung der Last in die andere Richtung erfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Ventile (7, 8) vertikal gegenüberliegend mit je einem
längsbeweglichen Betätigungsstößel (16 bzw. 17) einander zugewandt
angeordnet sind, wobei zur wechselseitigen Betätigung der Ventile (7, 8)
zwischen den Betätigungsstößeln (16, 17) ein Betätigungsquerelement (11)
verläuft, wobei ferner zwischen den Betätigungsstößeln (16, 17) und dem
Betätigungsquerelement (11) ein einstellbarer Spalt besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Betätigungsquerelement (11) an seinem einen Ende schwenkbar an
einem Rahmen (10) der Betätigungseinheit (9) angelenkt ist und an seinem
anderen Ende mit einem Betätigungsgriff (18) versehen ist, wobei das
Betätigungsquerelement (11) über seinen Mittelbereich mit den beiden
Betätigungsstößeln (16, 17) korrespondiert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zu den beiden Ventilen (7, 9), zwischen dem Rahmen (10) und dem
Betätigungsquerelement (11) je eine Druckfeder (12 bzw. 13) mit zugeordneter
Vorspannschraube (14 bzw. 15) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Verstärkung des Drucksignals die zumindest aus einem Ventil (7, 8)
bestehende Betätigungseinheit (9) ausgangsseitig über eine Arbeitsleitung (20)
mit der Vorsteuerung eines Relaisventils (5) verbunden ist, an dessen Ausgang
der druckmittelbetriebe Antrieb angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ventile (7, 8) als Mikroventile mit stetig verstellbarem Durchfluß
querschnitt ausgeführt sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Arbeitsleitung (20) zwischen der Betätigungseinheit (9) und dem
Relaisventils (5) ein Druckbehälter (6) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebe nach Art einer Hebelarmanordnung (1, 2), einer Seilwinde oder
eines Linearpositionierers ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet
daß der druckmittelbetriebene Antrieb als einseitig beaufschlagbarer
Pneumatikzylinder (4) ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der druckmittelbetriebene Antrieb als pneumatischer Seilantrieb ausgebildet
ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der druckmittelbetriebene Antrieb über eine an seinem Abtrieb angeordnete
pneumatisch angesteuerte Bremseinrichtung sicherbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Speisedruckversorgung der Vorrichtung über eine externe Zuleitung oder
über einen am Manipulator angeordneten Druckspeicher erfolgt.
Priority Applications (1)
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DE1998101839 DE19801839C2 (de) | 1998-01-13 | 1998-01-13 | Vorrichtung zur Erzeugung einer Gegengewichtskraft bei einem Manipulator |
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