DE2402829B2

DE2402829B2 - Numerisch arbeitende Programmsteuerung für einen Manipulator

Info

Publication number: DE2402829B2
Application number: DE2402829A
Authority: DE
Inventors: Takehiko Ono; Nobuo Taguchi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1973-01-25
Filing date: 1974-01-22
Publication date: 1979-05-03
Also published as: JPS5425300B2; US3906323A; DE2402829C3; JPS4996452A; IT1004786B; DE2402829A1; GB1441999A

Description

Die Erfindung betrifft eine numerisch arbeitende Programmsteuerung für einen Manipulator mit mehreren miteinander gekoppelten, z. B. eine Handbasis, eine Handgelenkbasis und eine Fingerbasis bildenden. Gliedern, bei welcher die Bewegungsabläufe der verschiedenen Manipulatorglieder jeweils durch in einem Programmspeicher bzw. Befehlsgeber als Soll-Werte enthaltene Daten vorgegeben sind, in der die Ist-Werte der Bewegungsabläufe jedes einzelnen Manipulatorgliedes relativ zum benachbarten Manipulatorglied durch Positionsmelder ermittelt werden und in der die Ist-Werte und die Soll-Werte einem Vergleichsrechner zugeführt werden, welcher durch Bildung eines Abweichungssignals die Stellantriebe der Manipulatorglieder über einen einen Digital-Analogumsetzer und Verstärker enthaltenden Regelkreis auf den jeweiligen Soll-Wert nachführt, wobei jedem der Manipulatorglieder ςϊηε jeweils einen Programmspeicher bzw. Befehlsgeber und einen Regelkreis mit Positionsrneider und Vergleichsrechner aufweisende Programmsteuerung zugeordnet ist

Eine numerisch arbeitende Programmsteuerung für einen Manipulator dieser Gattung ist bekannt durch die US-PS 36 61 051 bzw. durch die dieser entsprechende DE-OS 20 12 858. Hierbei ist jedem einzelnen Manipulatorglied eine besondere Programmsteuerung zugeordnet und diese Programmsteuerungen können sich gegenseitig nicht beeinflussen. Wenn daher bei Verwendung dieser Programmsteuerung beispielsweise nur das Handgelenk bewegt werden soll, müssen nicht nur Befehlsinstruktionen von der Programmsteuerung für dieses Handgelenk gegeben werden, sondern die Programmsteuerung für die Fingerbasis muß ebenfalls Befehlsinstruktionen erhalten und auslösen, welche unerwünschte Bewegungen der Fingerbasis aufheben.

Diese Tatsache führt aber zu beträchtlichen Schwierigkeiten bei der Eingabe der Steuerinformationen in die verschiedenen Programmspeicher.

Weitere Schwierigkeiten bei der Programmierung ergeben sich auch, weil die einzelnen Manipulatorglieder während ihrer Bewegung vor Übergeschwindigkeit bewahrt werden müssen. Solche Übergeschwindigkeiten können nämlich auftreten, wenn einem bestimmten Manipulatorglied der Befehl für eine positive Bewegungsrichtung gegeben wird, während dieses einer Bewegung unterworfen ist, bei welcher eine Beeinflussung in positiver Richtung unerwünscht ist. Es ist daher notwendig, daß die jweils unerwünschte Bewegung schon bei der Signalvorgabe im Programmspeicher berücksichtigt wird.

Die Probelematik bei der bekannten Programmsteuerung liegt also darin, daß schon zum Zeitpunkt der Festlegung des Steuerprogramms alle möglichen Bewegungsabläufe der Manipulatorglieder vorausgesehen werden müssen, welche im späteren Arbeitslauf des Manipulators zu erwarten sind.

Zweck der Erfindung ist es, die der bekannten numerisch arbeitenden Programmsteuerung anhaftenden Nachteile zu beseitigen. Daher liegt die Aufgabe vor, eine Programmsteuerung der eingangs näher

beschriebenen Gattung zu schaffen, bei der in die Programmspeicher für die einzelnen Manipulatorglieder nur diejenigen Signalfolgen eingegeben werden müssen, welche die Bewegungen des jeweiligen Manipulatorgliedes bestimmen, wobei jedoch durch diese Signalfolgen, gewissermaßen rückkoppelnd, aber auch Einfluß auf die Programmsteuerung für die anderen Manipulatorglieder nehmen, dergestalt, daß beispielsweise eine bei der Bewegung der Handgelenkbasis an sich auftretende unerwünschte Bewegung der ι υ Fingerbasis aufgehoben wird.

Die Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, daß der Ausgang des Positionsmelders für das, z. B. die Handbasis bildende, erste Manipulatorglied zusätzlich mit einem Eingang eines Vergleichsrechners verbunden ist, dessen zweiter Eingang vom Positionsmelder des zweiten, z. B. die Handgelenkbasis, bildenden Manipulatorgliedes gespeist wird und dessen Ausgang mit einem Eingang des Vergleichsrechners für das zweite Manipulatorglied in Verbindung steht, daß der Ausgang des Positonsmelders für das zweite Manipulatorglied zusätzlich mit einem Eingang eines Vergleichsrechners in Verbindung steht, dessen zweiter Eingang vom Positionsmelder des beispielsweise die Fingerbasis bildenden. Manipulatorgliedes gespeist wird und dessen Ausgang mit einem Eingang des Vergleichsrechners für das dritte Manipulatorgiied verbunden ist, und daß einerseits der Regiekreis für das erste Manipulatorglied mit den Operationsverstärkern der Regelkreise für das zweite Manipulator- jo glied und das dritte Manipulatorglied sowie andererseits der Regelkreis für das zweite Manipulatorglied mit dem Operationsverstärker des Regelkreises für das dritte Manipulatorglied in Verbindung steht.

Durch diese Ausgestaltung ergibt sich gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik ein kompakt aufgebauter Manipulator mit geringen beweglichen Massen, weil keine mechanischen Ausgleichs- und Synchronisationseinrichtungen benötigt werden. Durch das Fehlen solcher Ausgleichs- und Synchronisationseinrichtungen lassen sich die Stellantriebe für die einzelnen Manipulatorglieder im Bereich des Manipulatorarmes konzentrisch ineinander anordnen und ergeben bei geringem Raumbedarf eine weitgehend gleichmäßige Verteilung der beweglichen Massen. Auch der Durchmesser der Hand-Basis am freien Ende des Armes wird wesentlich geringer, wodurch mit einem solchen Manipulator auch an Stellen hantiert werden kann, wo nur wenig Raum zur Verfügung steht.

Außerdem läßt sich die erfindungsgemäße Aus- >o gleichs- und Synchronisationssteuerung jedem Manipulator mit geringem Aufwand zuordnen und dabei auch leicht der Anzahl der jweils vorhandenen und in gegenseitiger Abhängigkeit stehenden Manipulatorglieder anpassen.

Schließlich arbeitet die erfindungsgemäße Ausgleichs- und Synchronisationssteuerung aber auch unabhängig von Programmsteuersystemen, wie sie für Manipulatoren bekannt sind, und sie kann, wenn sie zusammen mit programmgesteuerten Manipulatoren t>o zum Einsatz gelangt, den Programmablauf wesentlich begünstigen. Im eigentlichen Steuerprogramm für den Bewegungsablauf der Manipulationen brauchen nämlich keine Vorkehrungen getroffen zu werden, welche die aus der mechanischen Kopplung zwischen den einzelnen Stellantrieben resultierenden, unerwünschten Bewegungen verschiedener Manipulatorglieder berücksichtigen. Es kann daher auf die vorgesehene, wirkliche Bewegung der Manipulatorglicder im Räume beschränkt werden, d. h-, es braucht die durch die mittelbare Kopplung der verschiedenen Stellantriebe bedingten, unerwünschten Bewegungen der Manipulatorglieder überhaupt nicht zu berücksichtigen.

Besonders widhtig ist auch, daß sich ein erfindungsgemäßes Steuersystem bedarfsweise aus einer beliebigen Anzahl praktisch gleicher Modulen erstellen läßt, die dann unter einander gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einfacher zusätzlicher Schaltglieder zu verbinden sind.

Nach einem weiterbildenden Erfindungsmerkmal ist in jeden Eingang der Operationsverstärker je ein Widerstand geschaltet, der in Abhängigkeit von der jeweiligen Anzahl von Eingängen des betreffenden Operationsverstärkers für N ■ Ä-Ohm ausgelegt ist

Als vorteilhaft hat sich ferner gezeigt, wenn nach der Erfindung die Vergleichsrechner jeweils zur Erzeugung eines Absolut wertsignals für den Digital-Analogumsetzer und eines Vorzeichensignals für di. Auswahl eines von zwei verschiedenen Eingängen des Verstärkers ausgelegt sind.

Schließlich kann es sich aber auch als wichtig erweisen, die Anordnung so zu treffen, daß am Ausgang des Verstärkers die Polarität gleich der Polarität des einen Eingangssignals aber entgegengesetzt zur Polarität des anderen Eingangssignals ist.

Durch die ältere Patentanmeldung P 23 12 796.0-15 ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Eliminierung unerwünschter Koppelbewegungen zwischen den Gliedern eines mit Programmsteuerung arbeitenden Manipulators vorgeschlagen worden, durch die die einzelnen Manipulatorglieder zwar unabhängig voneinander zu bewegen, dabei jedoch die Bewegung des einen Gliedes immer abhängig von der augenblicklichen Position des anderen Gliedes gemacht ist, dergestalt, daß die Raumlage des zweiten Gliedes, gleichgültig wie sie gegeben sein mag, gewissermaßen rückkoppelnd die Verlagerungsbewegung des ersten Gliedes mitbestimmt. Dieses Ziel wird dabei dadurch erreicht, daß ausschließlich das Fehlersignal aus der Vergleichsschaltung für das eine Glied unmittelbar der Regelvorrichtung der Antriebsvorrichtung für dieses Glied zugeführt wird, während aus den Istwert-Signalen der Stellungsgeber beider Glieder zunächst in einem Rechner ein Differenzsignal gebildet und dieses dann, ebenso wie der Sollwert für das zweite Glied, in die Vergleichsschaltung des zweiten Gliedes eingegeben wird, wobei in der Vergleichsschaltung ein Stellsignal erzeugt und der Regelvorrichtung der Antriebsvorrichtung des zweiten Gliedes übermittelt wird, so daß dieses durch die Antriebsvorrichtung in eine durch die Position des einen Gliedes u-id das Stellsignal bestimmte Lage geführt wird.

im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Seitenansicht den wesentlichen Teil eines Manipulators mit numerisch arbeitender Programmsteuerung,

F i g. 2 einen Horizontalschnitt durch den Manipulator nach Fig. 1,

F i g. 3 ein Blockschaltbild der numerisch arbeitenden Programmsteuerung für den in den Fig.] und 2 dargestellten Manipulator, während die

F i g. 4 und 5 jeweils Arbeitsdiagramme wiedergeben, die den Bewegungsablauf für den in den F i g. 1 und 2

gezeigten Manipulator erkennen lassen.

Nach F i g. 1 ist auf einer Säule 12 eine Schwenkvorrichtung 13 um eine horizontale Achse 11 beweglich montiert. Die Schwenkvorrichtung 13 trägt dabei einen Arm 14, und zwar derart, daß dieser sich aus der Schwenkvorrichtung 13 herausfahren oder in diese einziehen läßt.

Am freien Ende des Armes 14 ist eine Handbasis 15 montiert, die sich um die Längsachse des Armes 14 drehen kann. Sie trägt wiederum eine Handgelenkbasis 16. die um eine Achse 17 geschwenkt werder kann. Auf der Handgelenk-Basis 16 sitzt schließlich eine Fingerbasis 18, welche um d:e Längsachse der Handgelenkbasis gedreht werden kann.

Auf die Fingerbasis 18 können — nicht gezeigte — Vorrichtungen zur Durchführung von Bearbeitungsvorgängen, beispielsweise ein Schweißclektrodenpaar.

3ΐιΓσρςρΐ7ί wprHpn

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Handbasis 15 mit dem einen Ende einer Hohlwelle 21 in Verbindung steht, deren anderes Ende ein Zahnrad 22 trägt. Dieses Zahnrad 22 greift in ein Zahnrad 23 ein, welches gleitend auf einer Keilwelle 24 sitzt, welche mit einem Stellantrieb 25 in Verbindung steht.

Mit der Handgelenkbasis 16 ist ein Kegelrad 31 verbunden, welches in ein weiteres Kegelrad 32 eingreift, das auf einer Welle mit einem Zahnrad 33 sitzt. Das Zahnrad 33 kämmt mit einem Zahnrad 34, welches wiederum auf einer Hohlwelle 35 angeordnet ist, die innerhalb der Hohlwelle 21 koaxial gelagert wird. Ein auf dem anderen Ende der Hohlwelle 35 sitzendes Zahnrad 36 kämmt mit einem Zahnrad 37, welches gleitend auf einer Keilwelle 38 angeordnet ist, die ihrerseits wiederum mit einem Stellantrieb 39 in Verbindung steht.

Die Fingerbasis 18 auf ?iner mit einem Kegelrad 41 versehenen Welle, wobei das Kegelrad 41 in ein weiteres Kegelrad 42 eingreift, das auf einer Welle mit einem Kegelrad 43 sitzt. Das Kegelrad 43 kämmt mit einem Kegelrad 44, das von einer Welle getragen wird, die ein Stirnrad 45 hat. Das Stirnrad 45 steht wiederum mit einem Zahnrad 46 in Eingriff, welches auf einer koaxial zur Hohlwelle 35 angeordneten Hohlwelle 47 vorgesehen ist. Eine Welle 48 ist derart mit der Innenwandung der Welle 47 durch Verzahnung verbunden, daß sie sich relativ dazu in Längsrichtung gleitend bewegen kann. Diese Welle 48 steht mit einem Stellantrieb 49 in Verbindung.

Die Drehwinkelposition der Stellantriebe 25, 39 und 49 wird jeweils durch Positionsmelder 250, 390 und 490 ermittelt.

Wird beim Betrieb des Manipulators der Stellantrieb entsprechend dem Pfeil f nach rechts gedreht, dann verstellt sich auch die Fingerbasis 18 in entsprechender Richtung, wie das durch den Pfeil F/angedeutet ist.

Die Handbasis 15 und die Handgelenkbasis 16 werden jedoch durch diese Bewegung nicht beeinflußt und bleiben deshalb beim Betrieb des Stellantriebs 49 für die Fingerbasis 18 unbeweglich.

Wird der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 entsprechend der Pfeilrichtung w bewegt, während gleichzeitig der Stellantrieb 25 für die Handbasis und der Stellantrieb 49 für die Fingerbasis stillstehen, dann schwenkt die Handgelenkbasis 16 in Richtung des Pfeiles Ww nach oben, wie das aus Fig. I hervorgeht. Gleichzeitig damit wird aber auch die Fingerbasis 18 zu einer Linksdrehung in Richtung des Pfeiles Fw veranlaßt, weil sich das in der Gelenkbasis 16 befindende Zahnrad 41 zusammen mit der Gelenkbasis 16 dreht, während das Zahnrad 42, welches über eine 7ahnraHnhpriP17ijni7 mit rjpm .^tCÜBHlricb 49 für die Fingerbasis 18 in Verbindung steht, in Ruhe bleibt. Dabei ist die Bewegung der Fingerbasis 18 in Pfeilrichtung Fw in diesem Falle eine unerwünschte Bewegung.

Wenn der Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 bei ruhenden Stellantrieben 39 und 49 für die Handgelenkbasis und die Fingerbasis in Pfeilrichtung h arbeitet, dann ergibt sich hieraus für die Handbasis 15 eine Bewegung in Richtung des Pfeiles Hh. Zugleich wird jedoch auch die Handgelenkbasis 16 entsprechend dem Pfeil Wh nach Fig. I geschwenkt, weil das ihr zugeordnete Zahnrad 33 sich dreht, während das Zahnrad 34 stillsteht. Damit zieht die Betätigung der Handbasis 15 eine unerwünschte Bewegung des Handgelenkbasis 16 nach sich, während eine unerwünschte Bewegung der Fingerbasis nicht stattfindet.

Für die folgende Funktionsbeschreibung des Manipulators ist davon auszugehen, daß das positive Vorzeichen (+) die eine Bewegungsrichtung und das negative Vorzeichen (-) die andere Bewegungsrichtung für die verschiedenen Manipulatorglieder, nämlich die Handbasis 15. die Handgelenkbasis 16 und die Fingerbasis 18, angibt. Für die Handbasis 15 und die Fingerbasis 18 steht dabei das positive (+) Vorzeichen jeweils für eine Rechtsdrehung und ist in Fig. 2 nahe den Spitzen der Pfeile Hh und Ff angedeutet. Bezüglich der Handgelenkbasis 16 ist das positive ( + ) Vorzeichen der aufwärts gerichteten Bewegung zugeordnet und in F i g. 1 in der Nähe der Spitze des Pfeiles Ww angedeutet.

Die Drehrichtung und damit das Vorzeichen für die Drehbewegung der von den Stellantrieben 25,39 »■ .d 49 bewegten Wellen 24,38 und 48 ist aus F i g. 2 anhand der Pfeile h, wund /ersichtlich und ihre Zuordnungen sind aus der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen.

Tabelle

Umdrehung des Stellantriebes Umdrehung des Stellantriebes - Umdrehung des Stellantriebes »HAND« »FINGER« »HANDGELENK«

(25) Mit Linksdrehung (+) (49) Mit Rechtsdrehung (+) (39) Mit Linksdrehung (+)

Fortsetzung

Umdrehung des Stellantriebes Umdrehung des Stellantriebes Umdrehung des Stellantriebes »HAND« »FINGER« »HANDGELENK«

BewegtTi der Hand- Bewegung nach rechts (+) Stationär basis (15)

♦+

-Hh
Richtige Bewegung

Stationär

Bewegung der Finger- Stationär
basis (18)

Bewegung nach rechts ( + ) Bewegung nach links (-

•--♦+

—^r Richtige Bewegung

Bewegung des Gelenkes Nach unten gerichtete Stationär

(16) Bewegung (-)

,-Wh

Unerwünschte Bewegung

V-

Unerwünschte Bewegung

Nach oben gerichtete Bewegung ( + )

V _ Wu-

-Wn-Richtige Bewegung

Wird der Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 in Tätigkeit gesetzt, dann bewegen sich die Handbasis 15 und die Handgelenkbasis 16 über den gleichen Drehwinkel, jedoch in zueinander entgegengesetzten Richtungen.

Wird hingegen der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 bewegt, dann verstellen sich diese Handgelenkbasis 16 und die Fingerbasis 18 mit dem gleichen Drehwinkel, jedoch ebenfalls in zueinander entgegengesetzten Richtungen.

Die mit den verschiedenen Stellantrieben 25, 39 und 49 verbundenen Positionsmelder 250, 390 und 490 erzeugen dabei ein digitales Ausgangssignal, welches der jeweiligen Winkellage der Wellen 24, 38 und 48 entspricht.

Dabei sind die Positionsmelder 52, 390 und 490 so ausgelegt, daß ihr Ausgangssignai die jeweiligen Drehwinkel der Handbasis 15, der Handgelenkbasis 16 und der Fingerbasis 18 in der gleichen Proportion wiedergibt.

Unterstellt man für einen bestimmten Betriebsfall, daß nur der Stellantrieb 25 für die Handbasis in der positiven oder negativen Drehrichtung wirksam ist, dann wird das Ausgangssignal des Positionsmelders 250 um denjenigen Wert größer oder kleiner, um welchen sich die Handbasis in der positiven oder in der negativen Richtung dreht Das heißt, das Ausgangssignal des Positionsmelders 250 entspricht der tatsächlichen Position der Handbasis 15, weil diese weder durch den Stellantrieb 39 für die Handgelenkgasis 16 noch durch den Stellantrieb 49 für die Fingerbasis 18 beeinflußbar ist.

Wird hingegen nur der Stellantrieb 49 für die Fingerbasis 18 in Betrieb genommen, so daß sich diese in der negativen oder in der positiven Richtung dreht, dann wird das Ausgangssigna! des Posätior.srneiders 490 kleiner oder größer, und zwar um einen Wert, entsprechend dem sich die Fingerbasis 18 in die negative oder in die positive Richtung dreht. Dabei entspricht

55

M) aber das Ausgangssignal des Positionsmelders 490 nicht der tatsächlichen Position der Fingerbasis 18, weil nämlich diese Fingerbasis 18 sich auch beim Betrieb des Stellantriebes 39 für die Handgelenkbasis 16 bewegt.

Eine ähnliche Situation ist gegeben, wenn nur der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 arbeitet, so daß in dieser Bezeihung keine zusätzlichen Erläuterungen erforderlich sind.

Nunmehr soll unterstellt werden, daß die Nenn-Drehgeschwindigkeit der Handbasis 15 relativ zur Schwenkvorrichtung 13 des Armes 14, weiterhin die Nenn-Drehgeschwindigkeit der Handgelenkbasis 16 relativ zur Handbasis 15 und schließlich die Nenn-Drehgeschwindigkeit der Fingerbasis 18 gegenüber der Schwenkvorrichtung 13 des Armes 14 5-°/sec, beispielsweise 90° /see, beträgt.

Hierbei wird die Nenn-Drehgeschwindigkeit des Stellantriebes 25 für die Handbasis 15 als zeitliche Ableitung des dem Positionsmelder 250 zugehörigen Ausganges gemessen, und beträgt S-°/sec, weil gemäß der vorstehenden Tabelle der Handbasis 15 keine durch den Gtellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 verursachten, unerwünschten Bewegungen aufgezwungen werden.

Andererseits ist es erforderlich, daß der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 eine als zeitliche Ableitung am Ausgang des Positionsmelders 390 gemessene Nenn-Drehgeschwindigkeit von beispielsweise 2 S= 180°/see hat, weil die Handgelenkbasis 16 sich dann auch mit S-⁰ /see in der negativen oder positiven Drehrichtung bewegt, falls der Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 veranlaßt wird, sich mit 5-°/see in der positiven oder negativen Richtung zu drehen.

Schließlich ist es für den Stellantrieb 49 der Fingerbasis 18 notwendig, daß er eine am zugehörigen Ausgang des Positionsmeiders 4SO als zeitliche Ableitung gemessene nominelle Drehgeschwindigkeit von 3 S= 270° /see hat weil dann, wenn der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 mit 2 S= 180°/see in der

positiven oder negativen Drehrichtung bewegt wird, sich auch die Fingerbasis 18 mit 2 5=l80^c/sec in der negativen oder positiven Richtung drehen würde.

Die durch die zeitliche Ableitung der Ausgänge der Positionsmelder 250. 390 und 490 bestimmten Ge- -, schwindigkeiten werden nachfolgend als »Stellantrieb-Geschwindigke'".« bezeichnet.

In dem aus F i g. 3 ersichtlichen Blockschaltbild der einem Manipulator nach den Fig. 1 und 2 zugeordneten, numerisch arbeitenden Programmsteuerung sind m zur besseren Übersicht dreistellige Bezugs/ahlcn verwendet. Hierbei stehen sämtliche in der ersten Dekade mit der Ziffer »2« beginnenden Zahlengruppen für den die Handbasis 15 betreffenden Teil der Schaltungsanordnung. Die in der ersten Dekade mit der ι -, Ziffer »3« beginnenden Zahlengruppen stehen im Blockschaltbild für den der Handgelenkbasis 16 zugeordneten Teil der Schaltungsanordnung, während die in der ersten Dekade mit der Ziffer »4« beginnenden Zahlengruppen dem auf die Fingerbasis 18 bezogenen _>i> Teil der Schaltungsanordnung zugeordnet sind.

Die Schaltungsanordnung für die Handbasis 15 ist mit einem Programmspeicher bzw. Befehlsgeber 201 ausgestattet, indem die Bewegungsabläufe für die Handbasis 15 durch entsprechende Daten als Soll-Wer- _>-, te enthalten sind, die durch aufeinanderfolgenden Zugriff abgefragt werden können.

Von diesen Sollwert-Signalen werden durch einen Vergleichsrechner 202 die vom Positionsmelder 250 ermittelten Positionssignale des Stellantriebes 39 j_(l substrahiert, derart, daß ein Abweichungssignal gebildet wird. Dieses Abweichungssignal besteht aus einer absoluten Signalkomponente und aus einer Vorzeichensignal-Komponente. Die in digitaler Form anstehende, absolute Signal-Komponente wird durch einen Digital- r> Analogumsetzer 203 in ein Analogsignal umgeformt und dann dem Operationsverstärker 204 aufgeschaltet. Dessen Ausgangssignal wird wiederum über einen Umschalter 205 auf ein Operationsverstärker 206 geführt, wobei die Stellung des Umschalters 205 durch m) die Vorzeichensignal-Komponente des Vergleichsrechners 202 bestimmt wird.

Der Operationsverstärker 206 hat zwei Eingänge, die so ausgelegt sind, daß die Polarität seines Ausgangssignales gleich dem einen Eingangssignal, jedoch 4-, entgegengesetzt zur Polarität des anderen Eingangssignals ist. Ferner hat der Operationsverstärker 206 eine solche Auslegung, daß sein maximales Ausgangssignal 3 = E-VoIt ist.

Der Umschalter 205 kann als elektronischer Schalter ausgeführt sein und schaltet in Abhängigkeit von der Vorzeichensignal-Komponente des Vergieichsrechners 202 das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 204 auf den einen oder den anderen Eingang des Operationsverstärkers 206. Hierdurch wird dann am Ausgang des Operationsverstärkers 206 in analoger Form das Abweichungssignal für den Stellantrieb 25 der Handbasis 15 gebildet

Dieses Abweichungssignal wird nun dem Operationsverstärker 207 aufgeschaltet, welcher einen Eingangswiderstand sowie einen Rückführungswiderstand hat, die beide für den Wert R ausgelegt sind.

Vom Operationsverstärker 207 wird ein Servoventil 208 angesteuert, welches seinerseits wiederum ien Stellantrieb 25 für die Handbasis i5 steuert und regelt as

Solange das Abweichungssignal für den Stellantrieb 25 der Handbasis 15 + E-VoIt oder - E-VoIt beträgt, wird durcn den Stellantrieb 25 die Welle 24 entweder in der positiven [//ehrichtung oder in der negativen Drehrichtung mit einer Geschwindigkeit von 5°/see, beispielsweise von 90° /see in Bewegung gehalten.

Aus den vorstehend gegebenen Erläuterungen ergibt sich, daß der der Handbasis 15 zugeordnete Schaltungsteil der Programmsteuerung eine geschlossene Auslegung hat, und zwar deshalb, weil Bewegungen der Handgelenkbasis 16 oder der Fingerbasis 18 — wie es sich auch aus der Tabelle ergibt — keine unerwünschten Rückwirkungen auf die Bewegung der Handbasis nehmen können.

In dem der Handgelenkbasis 16 zugeordneten Schaltiingsteil der Programmsteuerung sind die Bezugszahlen derjenigen Funktionsteile, die mit Funktionsteilen in der Schaltungsanordnung für die Handbasis 15 übereinstimmen, in der zweiten und dritten Dekade mit gleichen Ziffern belegt.

Die der Handgelenkbasis 16 zugeordnete Schaltungsanordnung enthält aber — abweichend von der der Handbasis 15 zugeordneten Schaltungsanordnung — noch einen zusätzlichen Vergleichsrechner 312. Dieser subtrahiert das aus dem Positionsmelder 250 für den Stellantrieb 25 der Handbasis 15 ausgehende Signal von demjenigen Signal, welches der Positionsmelder 390 erzeugt, der dem Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 zugeordnet ist. Das hieraus resultierende Abweichungssignal wird dann dem Vergleichsrechner 302 über dessen negativen (-) Eingang aufgeschaltet, welcher andererseits über seinen positiven (+) Eingang den Programmspeicher bzw. Befehlsgeber 301 abfragt. Wenn sich dabei der Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 in der positiven oder in der negativen Richtung über einen bestimmten Winkel dreht, wird auch die Handgelenkbasis 16 in positiver oder negativer Richtung über einen bestimmten Winkel verstellt, und zwar — entsprechend der Tabelle — über den gleichen Winkel wie die Handbasis 15. Damit wird aber derjenige Winkelbetrag, um welchen sich die Handgelenkbasis 16 als Folge der gleichzeitigen Betätigung des Stellantriebes 25 für die Handbasis 15 in unerwünschter Weise bewegt, vom Positionswert des Stellantriebes 39 für die Handgelenkbasis 16 subtrahiert.

Die Vergleichsschaltung zur Erzeugung des Abweichungssignales für das Handgelenk 16 hat einen Operationsverstärker 307 mit zwei Eingangswiderständen, die einen Wert von 2 R aufweisen. Ferner ist aber auch ein Rückführungswiderstand vorgesehen, dessen Wert R beträgt.

Dem Operationsverstärker 307 wird das Abweichungssignal der Handgelenkbasis 16 aus dem Operationsverstärker 306 und außerdem das Abweichungssignal für die Handbasis 15 aus dem Verstärker 206 aufgeschaltet Damit ergibt sich am Operationsverstärker 307 ein Ausgangssignal, welches die Stellgröße für die Handgelenkbasis ist und der durch zwei difidierten Summe aus dem Abweichungssignal der Handbasis 15 und dem Abweichungssignal der Handgelenkbasis 16 entspricht

Solange das die Stellgröße bestimmende Ausgangssignal des Verstärkers 307 -E-VoIt oder +E-VoIt beträgt wird durch den Stellantrieb 39 der Handgelenkbasis 16 die Welle 38 mit einer Geschwindigkeit von 2 S-"/see, also beispielsweise um 180°/see, in der positiven oder in der negativen Drehrichtung bewegt

Die der Fingerbasis 18 zugeordnete Schaltungsanordnung der Programmsteuerung entspricht in ihrem Aufbau der Schaltungsanordnung für die Handgelenkbasis 16. Deshalb sind die Bezugszahlen für deren

Funktionsteile in der zweiten und dritten Dekade mit identischen Ziffern bezeichnet.

In der Schaltungsanordnung für die Fingerbasis hat der Operationsverstärker 407 drei Eingangswideraände, die jeweils einen Widerstandswert 3 R aufweisen. Ferner ist auch ein Rückführungswiderstand mit einem Widerstandswert R vorgesehen.

Dem Operationsverstärker 407 werden die Abweichungssignale aus den Operationsverstärkern 206, 306 und 406 aufgeschaltet. Der Stellantrieb 49 für die 1 ingerbasis 18 dreht sich folglich mit der Geschwindigkeit von 3 5-°/sec, beispielsweise um 27O°/sec, in der positiven oder in der negativen Richtung, solange das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 407 - E-VoIt oder + E-VoIt beträgt.

Ein erster typischer Steuerungsablauf beim Betrieb eines aus den F i g. 1 und 2 ersichtlichen Manipulators ist in F i g. 4 aufgezeichnet.

Dabei wird unterstellt, daß die Befehle für die Handbasis 15 '·ίγ die Handgelenkbasis und für die Fingerbasis 18 positiv gerichtet sind. Ferner ist angenommen, daß der Steuerbefehl für die Handbasis

15 einen kleineren Wert hat als der Steuerbefehl für die Handgelenkbasis 16. Dessen Steuerbefehl soll wiederum gegenüber dem Steuerbefehl für die Fingerbasis 18 einen kleineren Wert haben.

Aufgrund dieser Vorgaben ist einzusehen, daß die Handbasis 15, die Handgelenkbasis 16 und die Fingerbasis 18 gleiche Winkelgeschwindigkeiten von S-°/sec, beispielsweise 90°/see, aufweisen. Wenn daher zum Zeitpunkt i = 0 eine Reihe von Steuerbefehlen ausgegeben worden ist, dann ergibt sich aus F i g. 4, daß die Abweichungssignale für die Handbasis 15, für die Handgelenkbasis 16 und für die Fingerbasis 18 den gleichen Wert von + E-VoIt annehmen.

In der Schaltungsanordnung für die Handbasis 15 hat der Operationsverstärker 207 einen dem Einheitswert gleichen Verstärkungsfaktor. Dem Servoventil 208 wird das Steligrößensignal von —Ε-Volt aufgeschaltet mit der Folge, daß zum Zeitpunkt f= t\ der Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 sich mit einer Winkelgeschwindigkeit von 5-°/sec, beispielsweise 90°/see in die positive Richtung dreht. In der Schaltungsanordnung für die Handgelenkbasis 16 wird dem Operationsverstärker 307, jeweils über seine beiden Eingänge, das Abweichungssignal der Handbasis 15 von +E und das Abweichungssignal für die Handgelenkbasis 16 von +E aufgeschaltet, mit der Folge, daß das Stellgrößensignal

wird. Damit ergibt sich, daß zum Zeitpunkt t=t\ der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 einen Steuerbefehl erhält, aufgrund dessen er sich mit einer Geschwindigkeit von 2 5-°/see, beispielsweise 180°/see in die positive Richtung dreht.

In der Schaltungsanordnung für die Fingerbasis 18 werden dem Operationsverstärker 407 über seine drei Eingänge das Abweichungssignal + E für die Handbasis 15, das Abweichungssignal + E für die Handgelenkbasis

16 und das Abweichungssignal +E für die Fingerbasis aufgeschaltet Daraufhin wird dann das Stellsignal für die Fingerbasis 18 gleich

/E E E\ _
"U ⁺ 3 ⁺ 3 J - ^h·
Damit wird aber zum Zeitpunkt ρ = ίΐ der Stellantrieb 49 für die Fingerbasis 18 so angesteuert, daß er sich mit einer Geschwindigkeit von 3 5-°/see, beispielsweise 270°/see, in die positive Drehrichtung bewegt.
Die Fig.4B gibt an, daß die Handbasis 15 mit einer Winkelgeschwindigkeit von 5-°/sec, beispielsweise 90°/see zu einer positiven Umdrehung veranlaßt ist. Die Gelenkbasis 16 dreht sich ebenfalls mit S-"/sec, beispielsweise 90°/see in die positive Drehrichtung, d. h. mit erwünschter Bewegung 2 5 in die positive Richtung

in sowie mit unerwünschter Bewegung 5 in die negative Richtung, wie auch die Tabelle erkennen läßt. Die Fingerbasis 18 wird mit S-⁰ /see zu einer Drehbewegung in die positive Richtung veranlaßt, d. h. sie führt eine erwünschte Bewegung mil 3 5 in der positiven

i'i Drehrichtung aus und hat eine unerwünschte Bewegung von 2 5in der negativen Drehrichtung.

Der Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 beginnt seine Bewegung zum Zeitpunkt t—tj zu verringern und kommt im Zeitpunkt t= ti zum Stillstand. Infolgedessen wird das Abweichungssignal der Handbasis 15 zum Zeitpunkt I= ty 0. Nunmehr wird der Ausgang des Operationsverstärkers 307=—^-, worauf dann die

Drehgeschwindigkeit des Stellantriebes 39 für die 2Ί Handgelenkbasis 16 von 2 5 nach S wechselt. Hingegen verändert sich die Bewegungsgeschwindigkeit der Handgelenkbasis 16 nicht, weil der Betrieb des Stellantriebes 25 für die Handbasis 15 keine unerwünschte Bewegung zur Folge hat. Nunmehr wird auch ίο der Ausgang des Operationsverstärkers 407 =

so daß der Stellantrieb 49 für die Fingerbasis 18 mit einer Geschwindigkeit von 2 S, beispielsweise 180°/see, zu einer Drehbewegung veranlaßt wird, während sich die Fingerbasis 18 selbst im wesentlichen konstant mit der Geschwindigkeit von 5-°/see, beispielsweise 90° /see weiterdreht.

Die Handgelenkbasis 16 beginnt mit der Verringerung ihrer Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t=u ;_nd kommt zum Zeitpunkt f = h zum Stillstand. Das führt wiederum dazu, daß das Ausgangssignal am Verstärker

407 gleich- —wird, so daß sich der Stellantrieb 49 für

die Fingerbasis 18 und die Fingerbasis 18 in der aus den F i g. 4A und 4B ersichtlichen Weise mit der Geschwindigkeit Sdrehen.

Schließlich wird auch die Abweichung der Fingerbasis 18 geringer, wobei die Verringerung der Geschwindigkeit zum Zeitpunkt i=fe beginnt und zum Zeitpunkt f = f7 zur Ruhe kommt

In F i g. 5 ist ein anderer typischer Bewegungsablauf aufgezeichnet Hier ist der Befehl für die Handbasis 15 negativ gerichtet, während die Steuerbefehle für die Handgelenkbasis 16 und für die Fingerbasis 18 jeweils positiv sind. Die Bewegungsgrößen der drei Befehle entsprechen jenen, die bereits in Verbindung mit F i g. 4 beschrieben wurden.

Zum Zeitpunkt r=0 ist das Abweichungssignal des Verstärkers 206 für die Handbasis 15 gleich - E-VoIt, während das Abweichungssignal aus dem Operationsverstärker 306 für die Kandgelenkbasis 16 + E-VoIt entspricht sowie das Abweichungssignal aus dem Operationsverstärker 406 für die Fingerbasis 18 + E-VoIt beträgt.

Damit wird das StellgröBensignai für die Handbasis 15 gleich +E-VoIt mit der Folge, daß sich der Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 in der negativen Drehrichtung mit einer Geschwindigkeit S von beispielsweise 90°/see zum Zeitpunkt t=t\ dreht Die Handbasis 15 selbst wird mit einer Geschwindigkeit von S-"/see von 90"/see in Umdrehung versetzt Demnach wird das Stellgrößensignal am Ausgang des Operationsverstärkers 307=

Obwohl dann der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 nicht arbeitet, wird jedoch die Handgelenkbasis 16 aufgrund der Negativdrehung des Stellantriebes 25 für die Herdbasis 15 zum Zeitpunkt t=U mit einer Geschwindigkeit S-"/see in positiver Drehrichtung bewegt, wie sich auch aus der Tabelle ergibt.

Das Stellgrößensignal für die Fingerbasis 18 wird am Ausgang des Operationsverstärkers 407

\ 3 3 ⁺ 3j

-E

Das hat zur Folge, daß der Stellantrieb 49 für die Fingerbasis 18 zum Zeitpunkt t=t, eine positive Umdrehung mit der Geschwindigkeit S-°/sec, nämlich 90°/see ausführt, womit auch die Fingerbasis 18 eine entsprechende Drehung in positiver Richtung ausführt, weil der Steilantrieb 39 fü? die Handgelenkbasis 16 sich in Ruhe befindet jn

Zum Zeitpunkt f = t₂ setzt dann die Geschwindigkeitsverminderung der Handbasis 15 ein, wobei diese zum Zeitpunkt t=ij zum Stillstand kommt Zu diesem Zeitpunkt wird dann das Abweichungssignal für die Handbasis 15 aus dem Operationsverstärker 206 0 und gleichzeitig das Stellgrößensignal für die Gelenkbasis 16 am Ausgang des Operationsverstärkers 307

= - -=^-Volt.

Somit beginnt sich der Stellantrieb 39 für die Gelenkbasis 16 in positiver Richtung mit einer Geschwindigkeit S-° /see, beispielsweise 90°/see zu drehen, während die Gelenkbasis 16 im wesentlichen ihre Geschwindigkeit von S-° /see beibehält. Wird das Stellgrößensignal für die Fingerbasis 18

E E\

- ~ E-VoIt

dann erhöht der Stellantrieb 49 für die Fingerbasis 18 seine Geschwindigkeit auf 2 S-°/sec, während die Fingerbasis 18 selbst im wesentlichen die Geschwindigkeit von S-" /see beibehält Damit läßt sich aber der weiche und glatte Steuerungsablauf nach F i g. 5B erreichen.

Wie bereits früher beschrieben wurde, erhält der Operationsverstärker 307 vom Operationsverstärker 306 einerseits das Abweichungssignal für die Gelenkbasis 16 aufgeschaltet und zum anderen vom Operationsverstärker 206 auch das Abweichungssignal für die Handbasis 15 zugeführt Wird nur der Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 in positiver oder negativer Drehrichtung, und zwar mit einer Geschwindigkeit von S-"/see, in Betrieb genommen, dann arbeitet auch der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 und dreht sich mit einer Geschwindigkeit von S-°/sec in positiver oder negativer Richtung. Damit arbeiten und drehen sich die beiden Stellantriebe 25 und 39 im wesentlichen zur gleichen Zeit, so daß die unerwünschte Bewegung der Handgelenkbasis 16 durch den Stellantrieb 25 eliminiert wird. Hieraus ergibt sich, daß ein Abweichungssignal für die Handgelenkbasis 16 nur selten aufkommt so daß dadurch die unerwünschte Bewegung der Handgelenkbasis 16 im wesentlichen vermieden werden kann. Sollte jedoch ein geringfügiges Abweichungssignal für die Handgelenkbasis 16 aufkommen, dann wird der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 so in Betrieb genommen, daß das Abweichungssigna! for die 1 landgelenkbasis 16 verringert und rückgängig gemacht wird.

Für den Fall, daß die Steuerungssignale für die Handbasis 15 und die Handgelenkbasis 16 sowohl in der positiven als auch in der negativen Richtung erzeugt werden, erhält der Operationsverstärker das Abweichungssignal für die Handbasis 15 von +E-VoIt oder -E-VoIt sowie auch das Abweichungssignal für die Handgelenkbasis 16 von +E-VoIt oder -E-VoIt aufgeschaltet. In einem solchen Falle wird der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 mit einer Geschwindigkeit von 2 S-"/see in Umdrehung versetzt. Dies hat dann zur Folge, daß der Stellantrieb 39 der Handgelenkbasis 16 in Abhängigkeit vom Steuerbefehl für die Handgelenkbasis 16 gesteuert und geregelt werden kann und zwar im wesentlichen unabhängig von der Inbetriebnahme für das Rückgängigmachen unerwünschter Bewegungen aufgrund eines Betriebes des Stellantriebes 25 für die Handbasis 15.

Da der Steuerungsablauf bei der Schaltungsanordnung für die Fingerbasis 18 in ähnlicher Weise verläuft, kann insofern auf eine ausführliche Beschreibung j verzichtet werden.

Durch die vorstehend beschriebene, numerisch arbeitende Programmsteuerung lassen sich unerwünschte Bewegungen der miteinander gekoppelter Glieder von Manipulatoren unwirksam machen. Diese jo Wirkung ist dabei unabhängig von den aus den einzelnen Programmspeichern bzw. Befehlsgebern abgerufenen Signalen, so daß mit einem verhälinismä ßig einfachen Schaltungsaufbau glatte und kontinuierliche Bewegungen des Manipulators sichergestellt werden.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Numerisch arbeitende Programmsteuerung für einen Manipulator mehreren miteinander gekoppelten, ζ. B. eine Handbasis, eine Handgelenkbasis und eine Fingerbasis bildenden. Gliedern, bei welcher die Bewegungsabläufe der verschiedenen Manipulatorglieder, jeweils durch in einem Programmspeicher bzw. Befehlsgeber als Soll-Werte enthaltene Daten vorgegeben sind, in der die Ist-Werte der Bewegungsabläufe jedes einzelnen Manipulatorgliedes relativ zum benachbarten Manipulatorglied durch Positionsmelder ermittelt werden und in der die Ist-Werte und die Soll-Werte einem Vergleichsrechner zugeführt werden, weicher durch Bildung eines Abweichungssignals die Stellantriebe der Manipulatorglieder über einen einen Digital-Analogumsetzer und Verstärker enthaltenden Regelkreis auf den jeweiligen Soll-Wert nachführt, wobei jedem der Manipulatorglieder eine jeweils einen Programmspeicher bzw. Befehlsgeber und einen Regelkreis mit Positionsmelder und Vergleichsrechner aufweisende Programmsteuerung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Positionsmelders (250) für das z. B. die Handbasis bildende, erste Manipulatorglied (15) zusätzlich mit einem Eingang (-) eines Vergleichsrechners (312) verbunden ist, dessen zweiter Eingang (+) vom Positionsmelder (390) des zweiten, z. B. die Handge- jo lenkbasis biLänden, Manipulatorgliedes (16) gespeist wird und dessen Ausga~2 mit einem Eingang ( —) des Vergleichsrecbners (302) für das zweite Manipulatorgliede (16) in Yerbir Hing steht, daß der Ausgang des Positionsmelders (390) für das zweite jj Manipulatorglied (16) zusätzlich mit einem Eingang ( —) eines Vergleichsrechners (412) in Verbindung steht, dessen zweiter Eingang ( + ) vom Positionsmelder (490) des, beispielsweise die Fingerbasis bildenden, Manipulatorgliedes (18) gespeist wird und dessen Ausgang mit einem Eingang ( —) des Vergleichsrechners (402) für das dritte Manipulatorglied (18) verbunden ist, und daß einerseits der Regelkreis für das erste Manipulatorglied (15) mit den Operationsverstärkern (307) und (407) der Regelkreise für das zweite Manipulatorglied (16) und das dritte Manipulatorglied (18) sowie andererseits der Regelkreis für das zweite Manipulatorglied (16) mit dem Operationsverstärker (407) des Regelkreises für das dritte Manipulatorglied (18) in Verbindung steht

2. Programmsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeden Eingang des Operationsverstärkers (307) und (407) je ein Wiederstand (2 R) und (3 R) geschaltet ist, der in Abhängigkeit von der jeweiligen Anzahl (N) von Eingängen des betreffenden Operationsverstärkers (307 oder 407) für N ■ R-Ohm ausgelegt ist.

3. Programmsteuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- m> rechner (202; 302; 402) jeweils zur Erzeugung eines Absolutwertsignals für den Digital-Analogumsetzer (203; 303; 403) und eines Vorzeichensignals für die Auswahl (205; 305; 405) eines von zwei verschiedenen Eingängen des Verstärkers (206; 306; 406) ausgelegt sind.

4. Programmsteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Verstärkers (206; 306; 406) die Polarität gleich der Polarität des einen Eingangsignals, aber entgegengesetzt zur Polarität des anderen Eingangssignals ist.