DE2312796A1

DE2312796A1 - Einrichtung zum steuern der positionen von mindestens zwei bauteilen

Info

Publication number: DE2312796A1
Application number: DE2312796A
Authority: DE
Inventors: Takehiko Ono; Nobuo Taguchi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1972-03-16
Filing date: 1973-03-15
Publication date: 1973-09-27
Also published as: US3845284A; JPS4892783A; IT983558B; JPS5425196B2; DE2312796C3; GB1381563A; DE2312796B2

Description

PATENTANWÄLTE F .W . H EM M E R ICH ■ G E R D M Cl L L E R · D . G F, OS3E

14. März 1973 g.ni 71 868

Tokyo Shibaura Company,

72 Horikawa-Cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi,

Kanagawa-ken, Japan

Einrichtung zum Steuern der Positionen von mindestens zwei Bauteilen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern der Position von mindestens zwei jeweils mit Betätigungsvorrichtungen ausgestatteten Bauteilen aufgrund von deren Lage bestimmenden ersten und zweiten Befehlssignalen.

Grundsätzlich ist es bekannt, durch Steuerung Bauteile aus einer ersten in mindestens eine weitere bestimmbare Lage zu überführen. Schwierigkeiten bieten sich aber bereits dann, wenn es gilt, eine Folge solcher Bewegungen in vorgegebenem koordinierten Ablauf durchzuführen, und weitere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn die zu bewegenden Bauteile derart miteinander verbunden sind, daß die Bewegung eines dieser Bauteile sich auf die Bewegung des anderen auswirkt. Ein derartiger Fall liegt bei der Steuerung von Servo-Manipulatoren vor - die Anwendung ist jedoch nicht auf diese beschränkt.

Derartige Servo-Manipulatoren werden verwendet, komplizierte Manipulationen, ähnlich denen, welche durch die Hand eines Menschen ausgeführt werden können, zu bewirken. Manipulatoren anstelle menschlicher Hände selbst wird man überall dort einsetzen, wo innerhalb enger Toleranzen insbesondere sehr kleine Wege durchzuführen sind, wo eine direkte Handhabung wegen des Vorliegens einer besonderen Atmosphäre, besonderer Druck- oder Temperaturverhältnisse, der elektromagnetischen Strahlungen von Materialien oder dergleichen nicht möglich ist. So kann ein Manipulator dafür be-

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ORIGINAL INSPECTiO

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nutzt werden, Gegenstände von einer Steile zu exner anderen** bewegen, eine Folge von Umschweißungen durchzuführen, einen Anstrichvorgang nach vorbestimmtem Programm durchzuführen oder dergleichen.

üblicherweise haben Manipulatoren eine Anzahl, bspw. bis zu sieben, von Freiheitsgraden; so kann eine die Finger bzw. Klemmbacken aufweisende"Hand" drehbar in einer Abstützung, dem "Handgelenk", vorgesehen sein, welches wiederum an einem Arm schwenkbar sowie ggfs. längsverschiebbar gehalten ist, der seinerseits an einer Kuppel oder einer anderen Abstützung drehbar angeordnet ist. Als nachteilig erweist sich hierbei aber, daß, wenn bspw. der Arm gegen die Horizontale geneigt wird, auch die Neigung der mit dem Arm verbundenen Hand entsprechend geändert wird: Eine derartige gegenseitige Beeinflussung der Position der beiden Bauteile Hand und Arm bzw. die Wechselwirkung zwischen Arm-und Handgelenkbewegung ist jedoch unerwünscht.

Bei der Steuerung in Abhängigkeit von einem Programme kraftbetätigter Manipulatoren werden die gewünschten, oft komplizierten Manöver ausgeführt, in-dem die zu verlagernden Bauteile jeweils von einer einer Reihe von durch das Programm bestimmten Stellungen in die folgende überführt werden. Hierbei hat es sich jedoch als schwierig erwiesen, unerwünschte Rückwirkungen zu vermeiden: So ist es z. B. bei bekannten programmgesteuerten Servo-Manipulatoren schwierig, während der Bewegung des Armes aus einer Winkelstellung in eine andere die Neigung der Hand gegen die Horizontale konstant zu halten. Entsprechend gegenläufige Beaufschlagungen der den beiden Bauteilen zugeordneten Betätigungsglieder bedürfen in diesem Falle einer Koordinierung der Stellgeschwindigkeiten, die eine zusätzliche Bestimmung der Stellgeschwindigkeit bedarf, oder aber eine Unterteilung eines Bewegungsvorganges in eine entsprechende Anzahl einzelner Bewegungsphasen. In beiden Fällen wird mindestens die Programmierung durch diese Koordinierung erheblich erschwert und fällt außerordentlich aufwendig aus.

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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Steuereinrichtung der beschriebenen Gattung zu schaffen, welche es erlaubt, mit geringem Eftstellungs- und Bedienungsaufwand eine Koordinierung der Bewegungen zweier Bauteile zu erreichen und Insbesondere Steuervorrichtungen für programmgesteuerte Servo-Manlpulatoren bei geringem Aufwände den aufgeführten Bedürfnissen angepaßt und sicher arbeitend auszuführen.

Diese Aufgabe wird gelöst, Indem bei einer Steuereinrichtung der beschriebenen Gattung den zu verlagernden Bauteilen jeweils deren Position durch Istwertsignale kennzeichnende Geber zugeordnet sind und eine erste Regelvorrichtung vorgesehen 1st, welche das Befehlssignal für den ersten Bauteil mit dessen Istwert-Signal vergleicht und In Abhängigkeit von dessen Abweichung ein Stellsignal für die Betätigungsvorrichtung des ersten Bauteiles bewirkt; weiterhin 1st eine Rechenvorrichtung vorgesehen, welche aufgrund der Signale der Geber der beiden Bauteile tätig wird und ein Abweichungssignal bewirkt; eine zweite Regelvorrichtung vergleicht das Befehlssignal für den zweiten Bauteil mit diesem Abweichungssignal und bewirkt in Abhängigkeit von deren Abweichung ein Stellsignal für die Betätigung des zweiten Bauteiles, so daß dieses in eine durch das zweite Befehlssignal sowie die Position des ersten Bauteiles bestimmte Lage geführt wird. Die Rechenvorrichtung ändert das zweite Istwert-Signal durch das erste, durch einen vorgegebenen Koeffizienten geteilte. Dieser Koeffizient entspricht dem Quotient der Empfindlichkeiten der Geber und beträgt vorzugsweise 2 , wobei m eine ganze Zahl, einschließlich Null ist. Bewährt hat -es sich, die Geber binäre Istwert-Signale bewirken zu lassen und auch die Befehlssignale binär darzustellen sowie die Rechenvorrichtung binär arbeiten zu lassen. Andererseits können auch die Istwert-Signale sowie die Befehlssignale analog kodiert und als Rechenvorrichtung ein Analogrechner vorgesehen sein, der zweckmäßig einen Rechenverstärker aufweist. Mit Vorteil wird der Rechenverstärker mit mindestens einem einstellbaren, mindestens eines seiner Eingangssignale beeinflussenden Schalt-

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- 4 :r,_;

glied zur Vorgabe des Koeffizienten ausgestattet.

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung hat sich insbesondere zur Steuerung von Bauteilen bewährt, wenn ein erstes oder zweites Bauteil derart miteinander verbunden sind, daß eine Verstellung des ersten bei festgehaltener Betätigungsvorrichtung des zweiten Bauteiles eine Lagenänderung desselben bewirken würde. Sie eignet sich besonders für die Steuerung 2mWt«r relativ zueinander bewegter Bauteile eines Servo-Manipulators.

Als nachahmenswert hat es sich erwiesen, sie mit einem Servo-Manipulator zu kombinieren, der einen in zwei Komponenten schwenkbaren Arm aufweist, der mit einer Abstützung ausgestattet ist, die eine manipulierbare, ihr gegenüber drehbare Hand aufweist: Das erste und das zweite Bauteil sind hierbei relativ gegeneinander bewegbare Teile dieses Servo-Manipulators

Als wesentlich hat es sich gezeigt, die Steuereinrichtung mit Speichereinrichtungen auszustatten, die Paare von Istwertsowie Abweichungssignalen aufzunehmen und in vorgegebener Folge als Befehlssignale abzugeben vermögen. Den Speichereinrichtungen ist eine Leseeinrichtung zugeordnet, welche in vorgegebener Folge aus den Speichervorrichtungen solche Paare von Befeh^lssignalen ausliest. Bewährt hat es sich, die Lesevorrichtung so zu gestalten, daß sie wahlweise eine einer Anzahl von Folgen ausliest. Nach einer weiteren Ausgestaltung vermag die Lesevorrichtung wahlweise Abschnitte von Folgen von Paaren von Befehlssignalen hierbei auszulassen und/oder austauschen.

Die Steuereinrichtung hat sich auch für mehr als zwei in abhängiger Kette angeordnete Bauteile bewährt, wenn für die weiteren Bauteile jeweils zusätzliche Rechen- und Regelvorrichtungen vorgesehen sind.

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der

sführur

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folgenden Beschreibung_Qvon Ausführungsbeispielen in Ver-

bindung mit diese darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen hierbei:

Figur 1 schematisch die Seitenansicht eines Servo-Manipulators ,

Figur 2 die Aufsicht auf den Servo-Manipulator der Fig. 1,

Figur 3 abgebrochen und vergrößert einen Horizontalschnitt durch "Hand" und "Handgelenk" des Servo-Manipulators der Figuren 1 und 2,

Figur 4 schematisch eine mögliche Stellung von Hand und Arm des Servo-Manipulators nach Figuren 1 bis 3,

Figur 5 die Teile der Fig. 4 in anderer Lage zur Veranschaulichung einer durchgeführten Bewegung,

Figur 6 das Blockschaltbild einer Steuereinrichtung des Servo-Manipulators der Figuren 1 bis 5,

Figur 7 im Blockdiagramm die Rechenanordnung der Fig. 6 mit zusammenwirkenden Teilen und

Figur 8 eine andere, auf Analoggrundlage wirksame Ausführung der Rechenvorrichtung der Fig. 6 mit zusammenwirkenden Teilen.

Der in den Fig. 1-3 dargestellte Servo-Manipulator weist ein Gehäuse 11 auf, welches seine Antriebs^STeuervorrichtungen enthält, iteh oben erstreckt sich aus dem Gehäuse 11 eine drehbare sowie ggf. hebbare Säule 12, die einen Arm 13 über dessen Basis 16 mittels eines Bolzens 14 vertikal schwenkbar abstützt. Aus der Basis 16 des Armes 13 erstreckt sich, ggf. längsverschiebbar, zwei parallele Armteilstücke 17, deren freie Enden durch

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eine Abstützung 6 verbunden sind, die ihrerseits eine "Hand" 15 trägt. Diese Hand 15 kann sich um ihre eigene Achse drehen, und sie kann um die Abstützung 6 geschwenkt werden.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weist die Hand 15 ein Paar von Klemmbacken 18 sowie ein Getriebegehäuse 19 auf, in welchem das Klemmbacken-Paar in Lagern drehbar abgestützt ist. Das Getriebegehäuse 19 wird durch zwei gleichachsig angeordnete Wellen 2o und 21 in der Abstützung 6 vertikal schwenkbar gehalten. Die Welle ist fest mit den Getriebegehäuse verbunden, und ihr freies Ende ist in der Abstützung 6 gelagert. Auch die Welle 21 wird durch Lager in der Abstützung 6 getragen^ sie stützt ihrerseits das Getriebegehäuse 19 auf der der Achse 2o gegenüberliegenden Seite durch ein Lager ab.

Soll die Hand 15 um die Achse der Abstützung 6 im Sinne des Doppelpfeiles der Fig. 1 geschwenkt werden, so wird dies durch eine nicht dargestellte Betätigungsvorrichtung bexiirkt, die auf eine Welle 24 einwirkt. Auf dieser UeHe ist das Kegelrad 23 fest vorgesehen, das in das mit dem Getriebegehäuse 19 verbundene Zahnrad 22 angreift und so dieses zu schwenken vermag. Zum Drehen der Hand 15 im "Handgelenk" der Abstützung 6 ist eine ebenfalls nicht dargestellte Betätigungsvorrichtung vorgesehen, welche an die Welle 29 angreift und über das mit dieser verbundene Kegelrad 28 sowie das Kegelrad 27 die Welle 21 antreibt. Die Drehbewegung dieser Welle wird über das Kegelradpaar 25 und 26 auf die Hand 15 übertragen.

Durch das Einwirken der Betätigungsvorrichtungen über die Hellen 24 und 29 ergibt sich eine unerwünschte Kopplung der Stellvorgänge: Ein Drehen bzw. Schwenken der Hand 15 in Bezug auf den Arm 13 wird von einer unerwünschten Rotation der Klemmbacken 18 sowie der Hand 15 innerhalb des Getriebegehäuses 19 gegleitet: Bei einer Betätigung der Welle 24 wird nicht nur das Getriebegehäuse 19 geschwenkt, das Kegelrad 25 wälzt sich hierbei auch auf dem festgehaltenen Kegelrad 26 ab und bewirkt die unerwünschte

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Rotation der Hand 15,

Eine weitere unerwünschte Kopplung ergibt sich beim Schwenken des Armes 13 um den Bolzen I¹I: Die Schwenkung beeinflußt die Haltung der Hand 15 im RaiMfc und zwar insbesondere ihre Neigung zur Horizontalen. Veranschaulicht ist dies in den Figuren 4 und 5: Gemäß Fig. 4 ist der Arm 13 horizontal in der Stellung Pa₁ ausgestreckt und die Hand 15 sowohl zum Arm 13 als auch zur Horizontalen um einen Winkel Qh nach oben geschwenkt. Wird nun gemäß Fig. 5 der Arm 13 um einen Winkel öa nach unten geschwenkt, so bleibt, fäls die zugeordnete Betätigungseinrichtung nicht tätig wird, der Winkel Qh zwischen Hand 15 und Arm 13 erhalten. Die Hand ist aber nicht mehr unter diesem Winkel θη zur Horizontalen geneigt, sondern mit dem Arm 13 verschwenkt: Die ursprüngliche Haltung der Hand 15 im Raum wurde nicht beibehalten. Wie bereits ausgeführt, ist es in vielen Fällen erforderlich, auch bei Schwenkbev/egungen des Armes die Haltung der Hand beizubehalten; bspw. ist es hierbei wesentlich einfacher, die jeweils Stellung der Hand selbst zu steuern, und bspw. von einer Stellung in die andere überführte Gefäße werden beim Absenken des Armes nicht geneigt. Zur Kompensation der Neigung ist es daher erforderlich, die Hand 15 gegenläufig zur Schwenkung des Armes 13 um den Winkel 9a zu schwenken, dessen Betrag der Winkeländerung des Armes 13 entspricht. Hierdurch wird die Hand 15 in eine gestrichelt dargestellte Stellung Ph₂ geführt, die der Stellung Ph₁ der Fig. 4 im Räume entspricht. Die folgenden Fig. 6-8 veranschaulichen Steuereinrichtungen, die ermöglichen, Hand 15 und Arm 13 zu steuern, ohne daß die Winkelhaltung der Hand 15 im Raum durch Schwenkbewegungen des Armes 13 gesteuert wird.

Die Steuereinrichtung für das Schwenken des Armes 13 um den Bolzen 14 (Vertikalbewegung) und die Rotation der Hand 15 um die durch die Wellen 2o und 21 gebildete Achse (beugende Bewegung), welche letztere Bewegung von der ersteren unabhängig macht, ist an Hand des Blockschaltbildes der Fig. 6 erläutert. Die gleiche oder ähnliche Schaltungen können auch auf anderen Anwendungsgebieten verwendet werden, wenn die Rückwirkung der Be-

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wegung eines Bauteiles auf die eines anderen zu kompensieren ist, und sie läßt sich weiterhin verwenden, um bspw. die Drehbewegung des durch das Zaru/paar 18 dargestellten Fingers während des Beugens der Hand 15 auszuschließen.

Im Blockschaltbild der Fig. 2 ist eine Schaltvorrichtung 31 dargestellt, die Befehlssignale Sa und Sh zum Steuern der vertikalen Schwenkbewegung des Armes 15 sowie des Schwenkens der Hand 15 abgibt. Der Regelkreis für die Bewegung des Armes 13 ■vielst eine Vergleichsvorrichtung 32 auf, die auf eine einen Verstärker 7 sowie eine Betätigungsvorrichtung 8 für den Arm aufweisende Regelvorrichtung einwirkt. Der Arm 13 ist weiterhin mit einem Geber 3^ ausgestattet, der auf Grund der jeweiligen Schwenkstellung ein die Lage des Armes 13 kennzeichnendes Signal A entwickelt. Dieses Signal wird als Istwert-Signal Fa der Vergleichsvorrichtung 32 ebenso zugeführt wie das von der Schalt· vorrichtung 31 abgegebene Fehlsignal Sa, und das die Differenz der beiden Eingangssignale kennzeichnende Vergleichssignal Ha bewirkt über die Regelvorrichtung 33 ein ständiges i.achregeln der Stellung des Armes. Das Befehlssignal Sa wirkt hiermit als Führungsgröße, und das am Ausgang der Vergleichsvorrichtung 32 anstehende Fehlersignal Ua, gegeben durch

Ma = Sa - Fa (1),

wird durch Nachführung des Armes 13 über den Regelkreis gegen Null gebracht. Der Regelkreis ist vorzugsweise elektrohydraulisch ausgebildet, und der Verstärker 7 wirkt auf ein nicht dargestelltes Servo-Ventil ein, welches das hydraulisch wirksame Betätigungsmittel teaufschlagt. Es sind jedoch beliebige andere Regelverstärker und Stellglieder einsetzbar.

Für die Hand 15 ist ein ähnlicher Regelkreis vorgesehen. Ihr ist ein ihre jeweilige Stellung erfassender, Positionssignale JI bewirkender Geber 37 zugeordnet, und ein Istwert-Signal Fh 30-wie ein von der Schaltvorrichtung 31 ausgelöstes Fehlsignal Sa werden der Vergleichsvorrichtung 35 zugeführt, die aiii Stell-

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- 7b -

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signal Hh bewirkt, das über den Verstärker 9 sowie die Betätigungsmittel Io der Regelvorrichtung 36 die Hand 15 verschwenkt :

Mh = Sh - Ph (2).

Wesentlich ist hierbei, daß das Istwert-Signal H nicht der Vergleichseinrichtung 35 direkt zugeführt wird, da der Geber zwisnen Armen 13 und Hand 15 wirksam wird und damit nur deren Winkelstellung, nicht aber die absolute Stellung der Hand 15 zu ofassen vermag. Die vom Geber 37 ausgelösten Istwert-Signale H werden daher zunächst einer Rechenvorrichtung zugeführt, die zusätzlich mit dem Istwert-Signal A des Gebers 3^ beaufschlagt wird. Die Rechenvorrichtung ermittelt aus der durch Signal A repräsentierten Stellung des Armes sowie aus der durch Signal H dargestellten Stellung der Hand ein Signal Ph, welches die Absolute Stellung der Hand kennzeichnet:

Ph = H - A/M (3).

Il ist hierbei ein Koeffizient, der durch die Quotienten der Empfindlichkeiten der Geber J>k und 37 gegeben ist:

.. _ Empfindlichkeit des Gebers 3¹* (4).

j,j _

Empfindlichkeit des Gebers 37

H kann gleich eins sein, hat jedoch üblicherweise einen höheren Wert, da die Empfindlichkeit des Gebers 3¹* üblicherweise größer als die des Gebers 37 ist, da auch die effektive Länge des Armes 13 die der Hand 15 übersteigt.

Die bspw. gesteuerten Bauteile des Servo-Manipulators, Arm und Hand 15,werden aufeinanderfolgend in vorbestimmte Lagen Q₁, Qp ··· unter Steuerung der Schaltvorrichtung gebracht, die in vorbestimmter Folge nacheinander Signalpaare Sa und Sh entsprechend den einzunehmenden Stellungen mittels einer Lesevorrichtung aus Speichern 39 und 4o abliest. Die Schaltvorrichtung^/ sowie die Lesevorrichtung sind zweckmäßig so ausgebildet, daß

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die Speicher 39 und 4o nie ht nur eine Folge von Signalpaaren aufzunehmen vermögen, sondern wahlweise auf eine eine Anzahl von Folgen einstellbar sind. Zweckmäßig ist weiterhin dafür Sorge getragen, daß die Schaltvorrichtung mittels der Lesevorrichtung ggf. vorgegebene Abschnitte von Signalfolgen ausläßt oder austauscht bzw. einführt.

Der Servo-Manipulator wird programmiert und die Paare von Fehlsignalen werden gespeichert, indem die gewünschten Stellungen zunächst manuell durch willkürlieh bestimmte&fehissignale herbeigeführt werden und für jede Stellung das sich ergebende Etwert-Signal Fa über Leitung 3 in den Speicher und das sich ergebende Abweichungssignal Fh über Leitung 4 dem Speicher 4o zugeführt werden. Wenn die Befehlsspeicher und ²Io des Servo-Manipulators

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in dieser Weise galanÄ worden ist, ist er in der Lage, die Sequenz von Operationen unabhängig durchzuführen, indem er nacheinander die gespeicherten Signale ausliest. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die Befehlssignale Sa, Sh nur die sukzessiven Positionen repräsentieren, nach welchen hin die/j^Ub/M^üor-Teile zu bringen sind, und nicht versuchen, die Bewegung jedes Teiles zwischen diesen sukzessiven Positionen zu kontrollieren. Mit anderen Worten, die Befehlssignale bestimmen die iindpositionen jeder Bewegung, aber nicht die Bewegung selbst.

Falls Pa, Ph die Winkelpositionen - zu irgendeinem Zeitpunkt - des Armes 13 relativ zur Horizontalen und des Handteilstückes 15 relativ zum Arm 13 sind und q die zerlegende Kraft des Detektors 3^ ist, d.h. der Winkel, um den sich der Arm 13 dreht zur Einheitsänderung des Signales A,

Pa = qA (5)

und Ph = MqH (6) .

Der Regelkreis für das Handteilstück 15 ist wirksam, um zu erbringen

Sh = Fh
d.h· Fh = Sh = H - A/M aus Gleichung 3

= Ph - Pa
Mq Mq

Das Signal Fh, das im Speicher ^O gespeichert ist, stellt daher nicht den tatsächlichen Neigungswinkel Ph der Hand relativ zum Arm dar, sondern den Winkel, den die Hand 15 mit der Horizontalen bildet, ein Winkel, welcher von der Neigung des Armes 15 unabhängig ist·

Es sei angenommen, daß das Signal Sh bei Sho konstant bleibt und Sa sich ändert, um die Winkelposition des Armes um Oa von Pa. nach Pa₀ zu ändern, wie in den Fign. φ und 5^«

1. c\

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Qa = Pa₂ -

Bei

Sho = Ph - Pa
Mq Mq
und Ph = Mq Sho + Pa

Ähnlich bei Pa₀

Ph„ = Mq Sho + Pa„

Somit Ph - Ph = Pa₀ - Pa = Oa, d.h. der Winkel, welchen die Hand 15 mit dem Arm 13 bildet, wird um den Winkel Oa vergrößert, um welchen sich der Arm gedreht hat, und die Hand bleibt parallel zu ihrer ursprünglichen Position. Ähnlich, falls der Arm 13 nach Pa„ hin um den Winkel q. ^ A rotiert, d.h_e das Signal A sich von A. (dem Wert bei Pa )

auf A₁ + ^A vergrößert, nimmt das Feedback-Signal Fh ab

um ^\ A :

Fh = H₁ - A₁

M M

Somit vergrößert sich das Manipulations- oder Fehler signal Mh für die Hand 15 U-¹¹¹^A , und die Hand wird betät ig
tigt nach Ph. hin um einen Winkel Mq* fa H , derart, daß

Sho = Fh = H₁ + ^\ H - A₁ + /± A

Da Sho = H₁ - Α_χ/Μ

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und der Winkel, um welchen die Hand relativ zum Arm gedreht wird, ist

Mq ^ H

d.h. die Hand und der Arm drehen sich um den gleichen Winkel· Mit anderen Worten, während der Bewegung des Armes 15 * dreht sich die Hand relativ zum Arm, um die Hand genau parallel zu ihrer ursprünglichen Haltung zu halten·

Fig. Y zeigt eine Form der rechnenden Schaltungsanordnung 38 und der Detektoren 3^» 37* Hier hat jeder der Detektoren ein Ausgangssignal A oder H von binärer Form, d.h.

. i

^{A =} YL ^ar ^2r ⁽⁸⁾

r=o

J.

Die Detektoren sind ferner so angeordnet und vorgesehen, daß die Signale A und H sich vergrößern, wenn der Arm 13 sich im entgegengesetzten Uhrzeigersinn bewegt bzw. die Hand sich im Uhrzeigersinn bewegt. Die zerlegenden Kräfte der Detektoren sind so gewählt, daß

M = 2 , wobei m Null oder eine positive ganze Zahl ist. Dann kann der Ausgang A geschrieben werden

A = y a . 2^Γ (Gleichung 8) r=o

(m-1) (i-m)

a_r.2^r+2^m 5 a,„._,. 2^r (10)

2^m S~ ·,_._,. 2^r (11)

-m)

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2- « ihr '<«->

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Angenommen_t daß i = j = m + η (13)«

wobei η eine positive ganze Zahl ist.

In Fig. 7 weist der Computer 38 die Form einer logischen Schaltung 4l auf, welche einen Ausgang Z aus Additionsund Subtraktionseingängen Y bzw. X entwickelt* X, Y und Z sind gegeben durch:
(n+m)

X = y x_r . 2^r (14)

r=o

(n+m)
Y = > y_r . 2^r ( 15)

(n+m)

Z =

r=o

und Z = Y - Z (17).

Wie in Fig. f angedeutet, wird jeder Ausgang a , a +

a des ifete|t*^rs 34 mit jedem X Eingang χ , x. .». χ

πι+η. öl η

der logischen Schaltung 4l verbunden. Jeder Digitausgang

h . h, ..eh des 2?e&efefc4rs 37 wird mit jedem entsprechen-

o 1 n+m

den Y Eingang y_o, y^ y₂ .... y

_{logischen Schaltung} verbunden.

Dann Z=Y-X

(n+m) η

r .«τ—» r+m

= H - A/M aus den Gleichungen (9) und (12) = H - A/2^B (19)

Der Ausgang Z von der logischen Schaltung 4l her ist somit auf der gewünschten Form des Fsedback-Signales Fh (vergleiche Gleichung (3)) und wird an den Comparator 35 angelegt»

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In Fig. <S?, welche eine alternative Form der Schaltung zeigt, welche ein Analog-Servosystem verwendet, erzeugen die Detektoren 34, 37 Analogsignale AA und HA entsprechend den Winkelpositionen des Armes 13 und der Hand 15· Für die rechnende Schaltung 38 wird ein Rechenverstärker 42 verwendet. Der Rechenverstärker 42 weist Eingangswiderstände 43, 44, welche entsprechend mit den Ausgängen ^er Detektoren 34, 37 verbunden werden, einen hochverstärkenden Verstärker 46 und einen Feedback- bzw. Gegenkopplungswiderstand 45 auf.

Die Eingangswiderstände 43, 44 sind so gewählt, daß

Wert des Widerstandes 43 = M Wert des Widerstandes 44

Dann ist, wie aus der Rechenverstärker-Theorie bekannt ist,

der Ausgang des Verstärkers/ HA - AA

^A M~

und ist von der gewünschten Form für das Feedback-Signal Fh. Die Analog-Schaltung der Fig. 8 weist den Vorteil auf, daß der Koeffizient M, der durch den Rechenverstärker 42 eingebracht wird, leicht eingeregelt werden kann, um das Verhältnis der zerlegenden Kräfte der Detektoren 34, 37 anzupassen.

Patentansprüche

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Claims

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMEHICH ■ GERD MÜLLER ■ D. GHOSS; - 13 -

14. März 1973 g.ni 71 863

Tokyo Shibaura Company,

Horikawa-Cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa-ken, Japan

Patentansprüche

(r l.y Steuereinrichtung zum Steuern der Position von mindestens zwei jeweils mit Betätigungsvorrichtungen ausgestatteten Bauteilen aufgrund von deren Lage bestimmenden ersten und zweiten Befehlssignalen, dadurch gekennzeichnet, daß den Bauteilen (13, 15) jeweils deren Position durch Istwertsignale kennzeichnende Geber (34, 37) zugeordnet sind, daß eine erste Regelvorrichtung (32, 33) vorgesehen ist, welche das Befehlssignal (Sa) für den ersten Bauteil (13) mit dessen Istwert-Signal (Fa) vergleicht und in Abhängigkeit von dessen Abweichung ein Stellsignal (Ma) für dessen Betätigungsvorrichtung (8) bewirkt, daß eine Rechenvorrichtung (38) vorgesehen ist, welche aufgrund der Signale (A, H) der Geber der beiden Bauteile tätig wird und ein Abweichungssignal (Fh) bewirkt, und daß eine zweite Regelvorrichtung (35, 36) angeordnet ist, welche das Befehlssignal (Sh) für den zweiten Bauteil (15) mit dem Abweichungssignal (Fh) vergleicht und in Abhängigkeit von deren Abweichung ein Stellsignal (Mh) für die Betätigungsvorrichtung (lo) des zweiten Bauteiles bewirkt, so daß dieses in eine durch das zweite Befehlssignal sowie die Position des ersten Bauteiles bestimmte Lage geführt wird.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung (38) das zweite Istwertsignal (H) durch das erste (A), durch einen vorgegebenen Koeffizienten (M) geteilte, ändert.

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3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Koeffizient (M) der Quotient der Empfindlichkeiten der Geber (34, 37) ist.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Koeffizient (M) 2^m betri Zahl, einschließlich Null, ist.

daß der Koeffizient (M) 2 beträgt, wobei m eine ganze

5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber (34, 37) beinäre Istwert-Signale (AH) der

t— r 4— r Form y a . 2 und > h .2

r r

r =o r=o

bewirken, und daß auch die Befehlssignale (Sa, Sh) binäre Signale sind.

6, Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rechenvorrichtung (38) das binäre zweite Istwertsignal (H) der Form ^ h_r . 2^r und ein modifi-

r=o

(i-m)

ziertes erstes Istwertsignal (A) der Form ^

r=o

differenziert.

7. Steuereinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwert-Signale (A, H) sowie die Befehlssignale (Sa, Sh) analog kodiert sind und als Rechenvorrichtung (38) ein Analogrechner vorgesehen ist, der ein Abweichungssignal (Fh) entsprechend Fh = H - A/M liefert.

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8. Steuereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung (28) einen Rechenverstärker aufweist.

9. Steuereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenverstärker (38) mindestens ein einstellbares, mindestens eines seiner Eingangssignale (A, H) beeinflussendes Schaltglied zur Vorgabe eines Koeffizienten (M) aufweist oder ein solches Schaltglied ihm zugeordnet ist.

10. Steuereinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (13) und die zweiten (15) Bauteile derart miteinander verbunden sind, daß eine Verstellung des ersten bei festgehaltener Betätigungsvorrichtung des zweiten Bauteiles eine Lagenänderung desselben bewirkt.

11. Steuereinrichtung nach Ansprüchen 1 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich relativ zueinander bewegende Bauteile (13, 15) eines Servo-Manipulators steuert.

12. Steuervorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Servo-Manipulator kombiniert ist, der einen in zwei Komponenten schwenkbaren Arm (13) aufweist, der mit einer Abstützung (6) ausgestattet ist, die eine manipulierbare, ihr gegenüber drehbare Hand aufweist, und daß die ersten und zweiten Bauteile relativ gegeneinander bewegbare Teile dieses Servo-Manipulators sind.

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13. Steuereinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß SMt, mit Speichereinrichtungen (39, 4o) ausgestattet ist, die Paare von Istwert-(A) sowie Abweichungssignalen (Fh) aufzunehmen und in vorgegebener Folge als Befehlssignale (Sa, Sh) abzugeben vermögen.

14. Steuereinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß den Speichereinrichtungen eine Leseeinrichtung zugeordnet ist, welche in vorgegebener Folge aus den Speichervorrichtungen (49, 4o) Paare von Befehlssignalen (Sa, Sh) ausliest.

15. Steuereinrichtung nach Anspruch 14,

d a d u r c h gekennzeichnet , daß die Lesevorrichtung wahlweise eine eine Anzahl von Folgen ausliest.

16. Steuereinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lesevorrichtung wahlweise Abschnitte von Folgen von Paaren der Befehlssignale auszulassen und/oder auszutauschen vermag.

17. Steuereinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für mehr als zwei in abhängiger Kette angeordnete Bauteile f-~-: jeweils zusätzliche Rechen- und Regelvorrichtungen vorgesehen sind.

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