DE19801839C2

DE19801839C2 - Vorrichtung zur Erzeugung einer Gegengewichtskraft bei einem Manipulator

Info

Publication number: DE19801839C2
Application number: DE1998101839
Authority: DE
Inventors: Reinhard Mauentoebben
Original assignee: Rexroth Mecman GmbH
Current assignee: Aventics GmbH
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2018-01-14
Also published as: DE19801839A1

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 Positionierer, 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, daß 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.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 197 23 719 ist ein ähnlicher Hebelarm-Manipulator bekannt, bei dem zusätzlich zur Erleichterung der Bedienung mindestens ein Richtungssensor vorgesehen ist, der zur Erfassung der Vertikalkomponente einer beabsichtigten Bewegungs richtung mit der Elektronikeinheit verbunden ist. Damit ist es möglich, nach Aufnahme der Last zu deren weiterem Heben oder Senken über den Richtungssensor den Richtungssinn der beabsichtigten Bewegungsrichtung zu ermitteln, so dass durch eine entsprechend geringfügige zusätzliche Gegengewichtskrafterhöhung bzw. -verminderung die Bewegung der Last unterstützt wird.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 34 15 269 geht ein druckluftbetriebener Manipulator hervor, der ohne eine elektronische Lastsensorik auskommt. Zur Steuerung ist allein ein als Handriff ausgebildetes mechanisches Bedienventil vorgesehen. Allerdings bewirkt hier jede geringfügige Bewegung des Handgriffs eine entsprechende Druckluftbeaufschlagung, so dass das pneumatische System einer starken Aufschwingneigung unterliegt und im Zusammenhang mit dem fehlenden elektronischen Lastausgleich die Bedienung insgesamt nicht sehr komfortabel ist.

Ein 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 vorstehend beschriebenen Lösungen mit integrierter Elektronikeinheit bzw. unmittelbar ansprechender Ventilbetätigung eignen sich daher nur begrenzt für einen Einsatz in ungeschützter Umgebung.

Es ist 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 der beabsichtigten Bewegungsrichtung der Last gleichgerichtete Bewegung eines Bedieners erfassende und direkt in ein entsprechendes Drucksignal umwandelnde Betätigungseinheit vorgesehen ist, über die ein druckmittelbetriebener Anrieb 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. 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.

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 uneingeschänkt 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 Manipultors 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 - angeordneten 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.

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 auch möglich, wie bei bekannten elektropneumatischen Manipulatoren, 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.

Bezugszeichenliste

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

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, wobei eine eine der beabsichtigten Bewegungsrichtung der Last (3) gleichgerichtete Bewegung eines Bedieners erfassende und direkt in ein entsprechendes Drucksignal umwandelnde Betätigungseinheit (9) vorgesehen ist, die am Manipulator, die Bewegung der Last (3) simultan begleitend, befestigt ist und über die der druckmittelbetriebene Antrieb ansteuerbar ist und die 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, wobei die beiden Ventile (7, 8) vertikal gegenüberliegend mit je einem längsbeweglichen Betätigungs stößel (16 bzw. 17) einander zugewandt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur wechselseitigen Betätigung der Ventile (7, 8) zwischen den Betätigungsstößeln (16, 17) ein Betätigungsquerelement (11) verläuft, wobei zwischen den Betätigungsstößeln (16, 17) und dem Betätigungsquerelement (11) ein einstellbarer Spalt besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den beiden Ventilen (7, 8), zwischen dem Rahmen (10) und dem Betätigungsquerelement (11) je eine Druckfeder (12 bzw. 13) mit zugeordneter Vorspannschraube (14 bzw. 15) angeordnet ist.

4. 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 druckmittelbetriebene Antrieb angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (7, 8) als Mikroventile mit stetig verstellbarem Durchflußquerschnitt ausgeführt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeitsleitung (20) zwischen der Betätigungseinheit (9) und dem Relaisventils (5) ein Druckbehälter (6) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe nach Art einer Hebelarmanordnung (1, 2), einer Seilwinde oder eines Linearpositionierers ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der druckmittelbetriebene Antrieb als einseitig beaufschlagbarer Pneumatikzylinder (4) ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der druckmittelbetriebene Antrieb als pneumatischer Seilantrieb ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der druckmittelbetriebene Antrieb über eine an seinem Abtrieb angeordnete pneumatisch angesteuerte Bremseinrichtung sicherbar ist.

11. 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.