DE19900587A1 - Vorrichtung zur Messung der Positionen und Winkel von Gelenkgliedern eines Bewegungssystems - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß werden zur Messung der Gesamtbeschleunigungen einzelner Glieder eines Bewegungssystems Beschleunigungssensoren verwendet. Da die Gravitationskomponente der Ausgangssignale der Beschleunigungssensoren ein Maß für die Winkelstellungen der einzelnen Glieder gegenüber der Vertikalen ist, wird die dynamische Komponente iterativ aus dem Summensignal unter Verwendung der zunächst näherungsweise berechneten Bewegungen bestimmt. Nach dieser Korrektur sind alle Winkel und damit alle Positionen der einzelnen Glieder des Bewegungssystems gegenüber der Vertikalen berechenbar. Das Gewicht einer vom Bewegungssystem aufgegriffenen Last ist aus den horizontalen Positionen der einzelnen gewichtsbewerteten Glieder berechenbar. Die Meßvorrichtung ist geeignet für Roboter, Menschen, Baumaschinen, Forstmaschinen und andere Bewegungssysteme.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Positionen und Winkel von Gelenkgliedern eines Bewegungssystems. Das Bewegungssystem kann dabei ein Roboter, ein Mensch, eine Baumaschine, eine Forstmaschine oder ein anderes System sein, welches aus einzelnen Gliedern besteht, die über Gelenke miteinander verbunden sind. Die Kenntnis der Positionen und Winkel der einzelnen Glieder kann zur Bestimmung der Belastung sowie - im Falle einer Maschine - der motorischen Ansteuerung dienen.

Derartige Meßvorrichtungen sind bekannt. Verwendet wurden bisher Winkelsensoren, aus denen unter Berücksichtigung der Längen der einzelnen Glieder die Positionen berechenbar waren.

Winkelsensoren haben zum einen den Nachteil, daß sie an jeweils zwei Gliedern zu befestigen sind derart, daß die Sensorik die Bewegung nicht beeinträchtigt. Andere Nachteile bestehen darin, daß sie verschleißanfällig oder verhältnismäßig aufwendig sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der absolute Wert eines Winkels im Raum gegenüber der Vertikalen oder Horizontalen nicht erfaßbar ist. Dies gilt insbesondere für solche Systeme, die nicht fest mit dem Erdboden verankert sind, sondern die sich über dem Erdboden bewegen. Ein weiterer Nachteil kann darin bestehen, daß bei der Bestimmung der Raumwinkel Ungenauigkeiten durch Summenbildung entstehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung zu schaffen, mit der die Raumwinkel der einzelnen Glieder bezogen auf die Vertikale oder Horizontale in absoluter Höhe meßbar sind, die auf die relative Winkelmessung zwischen zwei Gliedern verzichten kann, die verschleißfrei und die leicht an den Gliedern zu befestigen ist.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch die in den Unteransprüchen 1 bis 14 beschriebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß werden Beschleunigungssensoren verwendet. Die Eigenart solcher Sensoren ist, daß in dem von ihnen ausgegebenen Beschleunigungssignal eine statische Komponente gemäß der Erdgravitation und eine dynamische Komponente gemäß der Bewegungsbeschleunigung enthalten ist. Aus dem Summensignal läßt sich also nicht ohne weiteres erkennen, wie es sich aus den beiden Komponenten zusammensetzt. Deshalb ist ein Rechengerät erforderlich, welches die Aufgabe löst, die beiden Komponenten voneinander zu trennen.

Die Erfindung sei nun anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Strukturbild der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1, 3, 5 und 6. In Fig. 1 ist links in einem Raumkoordinatensystem mit den drei Achsen X, Y und Z ein Bewegungssystem 1 mit 11 Beschleunigungssensoren B1 bis B11 eingezeichnet. Die Ausgangssignale A1 bis A11 sind einem Rechengerät 2 zugeführt. Dem Rechengerät sind die 11 Positionen P und die 11 Winkel W entnehmbar. In Fig. 1 bleibt offen, ob die 11 Sensorausgangssignale A1 bis A11 Einzel- oder Doppelsignale sind.

Fig. 2 zeigt eine Raumskizze eines Gliedes G1 mit zwei um 90° versetzten Sensoren BL1 und BQ1 gemäß Anspruch 2. Sie zeigt den Fall, daß Doppelsignale für die Winkel in Längs- und Querrichtung ausgegeben werden, am Beispiel des Gliedes Nr. 1. Der Sensor BL1 gibt das Signal AL1, der Sensor BQ1 das Signal AQ1 ab.

Für den Fall, daß das gesamte Bewegungssystem auf einem gelenkigen Fußpunkt FO aufliegt, liegt dieser in erster Näherung in der Mitte zwischen den Fußpunkten des Systems. Diese sind in Fig. 1 mit F1 und F2 bezeichnet. Der zentrale Fußpunkt ist mit FO bezeichnet.

Fig. 3 ist die Schnittskizze eines Gliedes G1 mit Kraftsensor K1 im Fußpunkt F1 gemäß Anspruch 4. Der Kraftsensor K1 mißt das vom Fußpunkt F1 abgestützte Gewicht KF1. Im Beispiel gehört der Fußpunkt F1 zum Glied G1. Gemäß Anspruch 4 wird der zentrale Fußpunkt FO unter Berücksichtigung mehrerer Fußpunktkräfte aus den Positionen der Fußpunkte in X-Z-Ebene berechnet.

Auch an den Greifenden der Glieder GE könnten Kraftmeßsensoren angebracht werden. Dies ist jedoch dann nicht erforderlich, wenn davon ausgegangen werden kann, daß eine zusätzliche Last ihren Schwerpunkt über der Mitte zwischen den beiden Greifenden hat und daß die horizontale Position des Schwerpunktes des Gesamtsystems sich von der horizontalen Position des Bewegungssystems ohne Last unterscheidet. Gemäß Anspruch 5 ist die horizontale Position der Last in X-Z-Ebene berechenbar. Die Last L ist in Fig. 1 als Raumpunkt eingezeichnet.

Aus den Positionen der Einzelschwerpunkte aller Glieder eines Bewegungssystems läßt sich unter Berücksichtigung der Gewichte G der einzelnen Glieder die Position des Schwerpunktes des Gesamtsystems berechnen. Damit das Gesamtsystem nicht kippt, muß der Schwerpunkt des Gesamtsystems über dem Fußpunkt FO des Gesamtsystems liegen. Befindet sich also der Schwerpunkt des Gesamtsystems stationär nicht senkrecht über dem Fußpunkt, was sich durch die Abweichung in der X-Z-Ebene bestimmen läßt, so ist dies nur durch das Einwirken einer zusätzlichen Last L zu erklären. Da die Schwerpunktsabweichung sowie die horizontale Position einer möglichen Last bekannt sind, läßt sich aus dem Schwerpunktversatz und aus dem Schwerpunktgewicht das Gewicht der Last L gemäß Anspruch 6 berechnen.

Fig. 4 zeigt das Strukturbild der Recheneinheiten zur Berechnung des Winkels W eines Gliedes G gemäß den Ansprüchen 7, 8, 12 und 13. Da die Erdbeschleunigungskomponente eines Beschleunigungssensors dem Sinus des Winkels des Beschleunigungssensors gegenüber der Vertikalen proportional ist, ergibt sich gemäß Anspruch 7 und Fig. 4, daß der Winkel W aus der Erdbeschleunigung AE mittels des Arcussinusbildners 3 berechenbar ist. Fig. 4 zeigt zudem, daß der an dem Glied G befestigte Beschleunigungssensor B das Ausgangssignal A an den Rechner 2 abgibt.

In Fig. 4 bleibt zunächst offen, wie die Erdbeschleunigungskomponente AE aus der Gesamtbeschleunigung A berechenbar ist. Gemäß Anspruch 8 wird angenommen, daß für eine erste Rechenschleife als Erdbeschleunigungskomponente AE das Summensignal A verwendbar ist.

Um die dynamische Beschleunigungskomponente AD aus der Bewegung des Sensors berechnen zu können, muß zunächst die Bewegung unter einer vereinfachenden Annahme berechnet werden. Diese Annahme ist, daß die Winkel W in erster Näherung für die Berechnung der Positionen P aller Sensoren verwendbar sind. Jede einzelne Position besteht dabei aus den drei Koordinaten X, Y und Z.

Fig. 5 zeigt das Strukturbild der Recheneinheiten zur Berechnung der Positionen P aus den Winkeln gemäß Anspruch 9. Das Rechengerät 2 enthält zwei Winkelfunktionsbildner 4 und Addierer 5. Ihm sind die Längen D aller Glieder als konstante Eingangsdaten zuführbar. Am Beispiel der Fig. 5 sind die Positionen von 4 Beschleunigungssensoren berechenbar.

Fig. 6 zeigt das Strukturbild der Recheneinheiten zur Berechnung der Geschwindigkeit V und der Beschleunigung b aus der Position P gemäß den Ansprüchen 10 und 11.

Fig. 6 zeigt zum einen, daß in einer Differenzierstufe 6 die Geschwindigkeit V eines Beschleunigungssensors aus dessen Position gemäß Anspruch 10 berechenbar ist.

Fig. 6 zeigt außerdem, daß die Beschleunigung b eines Beschleunigungssensors aus dessen Geschwindigkeit V mittels einer weiteren Differenzierstufe 7 gemäß Anspruch 11 berechenbar ist.

Gemäß Anspruch 12 zeigt Fig. 4, daß eine Subtraktionsstufe 8 vorgesehen ist, mittels derer die Erdbeschleunigungskomponente AE aus dem Summensignal A der Beschleunigung durch Subtraktion der dynamischen Komponente AD bestimmbar ist. Gemäß Anspruch 13 zeigt Fig. 4 weiterhin, daß eine arithmetische Recheneinheit 9 vorgesehen ist, mittels derer aus dem Beschleunigungssignal b die dynamische Komponente AD des Sensorsignal A berechenbar ist.

Fig. 7 zeigt das Strukturbild zur Darstellung der iterativen Berechnung der Schwerkraftkomponenten AE aus den Ausgangssignalen A und den Längen D gemäß Anspruch 14. Es wird dargestellt, daß die Bewegungen der einzelnen Sensoren zunächst unter der vereinfachten Annahme berechnet werden, daß die Erdbeschleunigungskomponente AE mit dem Gesamtsignal A übereinstimmt. Unter dieser Annahme ist der Winkel W des betreffenen Gliedes G berechenbar. Aus diesem Winkel W sind wiederum die Positionen P, die Bewegungsrichtungen, die Geschwindigkeiten V und die Beschleunigungen b der Beschleunigungssensoren berechenbar. Die aus den Beschleunigungen berechneten Komponenten AD werden nun gemäß Anspruch 14 mit Hilfe einer weiteren Recheneinheit 10 in einer zweiten Rechenschleife zur Korrektur des Signals AE verwendet. Hieraus ergeben sich genauere kinematische Werte, die wiederum eine genauere Bestimmung des Signals AE zu Folge haben. Dieses Itrationsverfahren wird solange wiederholt, bis die Abweichungen vernachlässigbar klein sind.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Messung der Positionen und Winkel von Gelenkgliedern eines Bewegungssystems, dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigungssensoren (8) vorgesehen sind, die an den Gelenkgliedern (G) befestigt werden, und daß ein Rechengerät (2) vorgesehen ist, in dem aus den Ausgangssignalen (A) der Beschleunigungssensoren (B) die Positionen (P) und die Winkel (W) aller Glieder gegenüber der Vertikalen berechenbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Winkel sowohl in Längs- als auch in Querrichtung zwei um 90 Grad gegeneinander versetzte Beschleunigungssensoren (BL und BQ) oder ein Beschleunigungssensor mit zwei Ausgangssignalen (AL und AQ) an den Gliedern befestigt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rechengerät (2) die Position PFO des Systemfußpunktes (FO) des Gesamtsystems aus den Positionen PF seiner Fußpunkte (F) berechenbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kraftsensoren (K) in den Fußpunkten (F) des Bewegungssystems (1) vorgesehen sind und daß die Position PFO des Systemfußpunktes (FO) unter Verwendung der Kräfte (KF) berechenbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rechengerät (2) aus den Positionen eines oder mehrerer Greifglieder (GE) die horizontale Position (PL) einer Last (L) berechenbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rechengerät (2) aus den Positionen (P) und den Gewichten (G) aller Glieder des Bewegungssystems (1), aus der Position (PL) sowie aus der Position (PFO) des Systemfußpunktes (FO) und gegebenenfalls den Kräften (KF) und den Positionen (PF) der Fußpunkte (F) das Gewicht (KL) der Last (L) berechenbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechengerät Arcussinusfunktionsbildner (3) enthält, mit denen der Winkel (W) eines Gliedes (G) gegenüber der Vertikalen aus der Erdbeschleunigungs-Komponente (AE) des Ausgangssignales (A) berechenbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erdbeschleunigungs-Komponente (AE) eines Ausgangssignales A gemäß langsamer Bewegung des betreffenden Gliedes des Bewegungssystems in erster Näherung das Ausgangssignal (A) verwendet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rechengerät (2) Winkelfunktionsbildner (4) sowie Addierer (5) vorgesehen sind, mit denen aus den Winkeln (W) und den Längen (D) der einzelnen Glieder (G) des Bewegungssystems die Positionen (P) der Beschleunigungssensoren (B) berechenbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rechengerät (2) Differenzierstufen (6) zur Berechnung der Geschwindigkeiten (V) aus den Positionen (P) der Beschleunigungssensoren (B) vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rechengerät (2) weitere Differenzierstufen (7) zur Berechnung der Beschleunigungen (b) aus den Geschwindigkeiten (V) der Beschleunigungssensoren (B) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rechengerät (2) Subtraktionsstufen (8) zur Näherungsberechnung der Erdbeschleunigungskomponente (AE) aus den Summenausgangssignalen (A) durch Subtraktion der dynamischen Komponente (AD) vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Komponente (AD) des Ausgangssignales (A) mittels einer arithmetischen Recheneinheit (9) aus der Beschleunigung (b) des Sensors (B) in Bewegungsrichtung berechenbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rechengerät (2) eine weitere arithmetische Recheneinheiten (10) enthalten ist, mit denen eine genaue Berechnung der Erdbeschleunigungskomponente (AE) der Ausgangssignale (A) durch Iteration in mehreren Rechenstufen durchführbar ist.