DE2402829C3 - Numerisch arbeitende Programmsteuerung für einen Manipulator - Google Patents
Numerisch arbeitende Programmsteuerung für einen ManipulatorInfo
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- DE2402829C3 DE2402829C3 DE2402829A DE2402829A DE2402829C3 DE 2402829 C3 DE2402829 C3 DE 2402829C3 DE 2402829 A DE2402829 A DE 2402829A DE 2402829 A DE2402829 A DE 2402829A DE 2402829 C3 DE2402829 C3 DE 2402829C3
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Description
Die Erfindung betrifft eine numerisch aroeitende 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 eine jeweils einen Programmspeicher
bzw. Befehfegeber und einen Regelkreis mit Positionsmelder 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 5W schaffen, bei der in die
Programmspeicher for die einzelnen ManipMlatorglieder
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 ο
Fingerbasis aufgehoben wird.
Di« 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 Handgdenkbasis, 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 Manipulatorglied verbunden ist, und daß einerseits der Regiekreis
für das erste Manipulatorglied mit den Operationsverstärkern der Regelkreise für das zweite Manipulator-
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 Manipulatorannes 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 Verfugung steht
Außerdem läßt sich die erfindungsgeinäße Aus- so
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 erfindungsgefnäße Ausgleichs- und Synchronisationssteüerüng aber auch
unabhängig von Programmsteuersystemen, wie sie für Manipulatoren bekannt sind, und sie kann. Wenn sie
zusammen mit programmgesteuerten Manipulatoren 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 b%
einzelnen Stellantrieben resultierenden, unerwünschten Bewegungen verschiedener Manipulatorglieder berücksichtigen. Es kann daher auf die vorgesehene, wirkliche
Bewegung der Manipulatorglieder 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 Absolutwertsignals für den Digital-Analogumsetzer und eines Vorzeichensignals für die 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 Eingangssignal 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 Steltsignal 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 und das Stelisignal bestimmte Lage geführt
wird.
Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit Zeichnungen erläutert Gs
zeigt
F i g. 1 in schematischer Seitenansicht den wesentlichen Teil eines Manipulators mit numerisch arbeitender
Programmsteuerung,
F i g. 2 einen Horizontalschnitt durch den Manipulator nach I- ig. 1,
F i g. 3 ein Blockschaltbild der numerisch arbeitenden Programmsteuerung für den in den Fig. 1 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,
ι Nach Fig. 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.
ι Nach Fig. 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 werden kann. Auf
der Handgelenk-Basis 16 sitzt schließlich eine Fingerbasis 18, weiche um die Längsachse der Handgelenkbasis
gedreht werden kann.
Auf die Fingerbasis 18 können — nicht gezeigte — Vorrichtungen zur Durchführung von Bearbei'ungsvorgängen,
beispielsweise ein Schweißelektr »denpaar, üllfcrpcpft7t wpivlpn
——-o~ ..--
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 einer 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 f S 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
in der Stellantrieb 49 für die Fingerbasis stillstehen, dann
schwenkt die Handgelenkbasis 16 in Richtung des Pfeiles Ww nach oben, wie das aus F i g. 1 hervorgeht.
Gleichzeitig damit wird aber auch die Fingerbasis 18 zu
einer Linksdrehung in Richtung des Pfeiles Fw
ι? veranlaßt, weil sich das in der Gelenkbasis 16
befindende Zahnrad 41 zusammen mit der Gelenkbasis 16 dreht während das Zahnrad 42, welches über eine
Zahnradüb?nu>tziing mit dem Stellantrieb 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 Handgelenk-
basis und die Fingerbasis in Pfeilrichtung h arbeitet, dann ergibt sich hieraus für die Handbasis 15 eine.
Beweft'ng in Richtung des Pfeiles Hh. Zugleich wird
jedoch auch die Handgelenkbasis 16 entsprechend dem Pfeil Wh nach Fig. 1 geschwenkt, weil das ihr
jo 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 uner wünschte 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 Hand- basis 15, die Handgelenkbasis 16 und die Fingerbasis 18,
angibt Für die Handbasis 15 und die Fingerbasis 18 steht dabei das positive ( + ) Vorzeichen jeweils tür eine
Rechtsdrehung und ist in F i g. 2 nahe den Spitzen der Pfeile Hh und Ff angedeutet. Bezüglich der Handge-
lenkbasis 16 ist das positive (+) Vorzeichen der aufwärts gerichteten Bewegung zugeordnet und in
Fig. 1 in der Nähe der Spitze des Pfeiles Ww angedeutet
Die Drehrichtung und damit das Vorzeichen für die Drehbewegung der von den Stellantrieben 25,3Γ
>md 49 bewegten Wellen 24,38 und 48 ist aus F i g. 2 anhand der
Pfeile h, wund f ersichtlich und ihre Zuordnungen sind
aus der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen.
Umdrehung des Stellantriebes Umdrehung des Steflämtriebes ■ Umdrehung des Stellantriebes
»HAND« »FINGER« »HANDGELENK«
(25) Mit Linksdrehung (+) (49) Mit Rechtsdrehnng (+) (39) Mit Linksdrehung (+)
-A
Fortsetzung
Umdrehung des Stellantriebes Umdrehung des Stellantriebes Umdrehung des Stellantriebes
»HAND« »FINGER« »HANDGELENK«
Bewegung der Hand- Bewegung nach rechts (+) Stationär basis (15)
♦+
■-W/i
Richtige Bewegung
Richtige Bewegung
Stationär
Bewegung der Finger- Stationär
basis (18)
basis (18)
Bewegung des Gelenkes Nach unten gerichtete
(16) Bewegung (-)
(16) Bewegung (-)
,-Wh
Unerwünschte Bewegung
Bewegung nach rechts (+) Bewegung nach links (-) ♦+ s--Fw
f
Richtige Bewegung
Richtige Bewegung
Stationär
Unerwünschte Bewegung
Nach oben gerichtete Bewegung (+)
\_H/„.
-Ww
Richtige Bewegung
Richtige Bewegung
Wird der Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 in jo 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 Handge- v,
lenkbasis 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
der jeweiligen Winkellage der Wellen 24, 38 und 48 entspricht.
Dabei sind die Positionsmelder 52, 390 und 490 so ausgelegt, daß ihr Ausgangssignal 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 Poiitionsmelders 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 Positionsmelders 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 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-Drel.
geschwindigkeit der Handgelenkbasis 16 relativ zur Hanubasis i5 und schließlich die iNenn-Drehgeschwindigkeit
der Fingerbasis 18 gegenüber der Schwenkvorrichtung 13 des Armes 14 S-" /see, 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 Jen Stellantrieb 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-°/sec in der negativen oder positiven Drehrichtung bewegt falls der Stellantrieb 25
für die Handbasis 15 veranlaßt wird, sich mit S-"/sec 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 Positionsmelders 490 als zeitliche Ableitung gemessene nominelle Drehgeschwindigkeit von 3
5= 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= 180°/see 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-Geschwindigkeit« bezeichnet.
In dem ans Fig.3 ersichtlichen Blockschaltbild der
einem Manipulator nach den Fig. 1 und 2 zugeordneten, numerisch arbeitenden Programmsteuerung sind
zur besseren Übersicht dreistellige Bezugszahlen 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 r, 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 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-Werte
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 jo 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- j>
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 die Vorzeichensignal-Komponente des Vergleichsrech-
«w\ 1 »: * „.: 1
Der Operationsverstärker 206 hat zwei Eingänge, die
so ausgelegt sind, daß die Polarität seines Ausgangssignales gleich dem einen Eingangssignal, jedoch v>
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 >o
ausgeführt sein und schaltet in Abhängigkeit von der Vorzeichensigna -Komponente des Vergleichsrechners
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 Eingangs- ao
widerstand sowie einen Rückführungswiderstand hat, die beide für den Wert R ausgelegt sind.
Vom Operationsverstärker 207 wird ein Servoventil 208 angesteuert, welches seinerseits wiederum den
Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 steuert und regelt.
Solange das Abweichungssignal für den Stellantrieb 25 der Handbasis 15 + E-VoIt oder - E-VoIt beträgt
wird durch den Stellantrieb 25 die Welle 24 entweder in der positiven Drehrichtung 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 Schaltungsteil 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 enthalt 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
I I I 1 1.Un,.:*. IC !-,,ktpiUlort
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 Ausgangssignai 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-°/sec, also beispielsweise um 180"/SeC, 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 Eingangswidnrstände,
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 Fingerbasis 18 dreht sich folglich mit der Geschwindigkeit
von 3 5-°/see, beispielsweise um 270°/see, 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 uniersieüi, daß die Befehle füi uie
Handbasis 15 für 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 5-°/see, beispielsweise 90°/see, aufweisen. Wenn daher
zum Zeitpunkt t=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 Stellgrößensignal von — E-VoIt aufgeschaltet mit
der Folge, daß zum Zeitpunkt t = i, der Stellantrieb 25
für die Handbasis 15 sich mit einer Winkelgeschwindigkeit vrin 5-°/SCC beisnje!clueise 90°'ci*r in O'if* nncitivp
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
- G ♦ 4)
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 S-°/sec, 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 auf geschaltet Daraufhin wird dann das Stellsignal für
die Fingerbasis 18 gleich
Damit wird aber zum Zeitpunkt />= f, 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 S-"/see, 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
ίο sowie mit unerwünschter Bewegung 5 in die negative
Richtung, wie auch die Tabelle erkennen läßt. Die Fingerbasis 18 wird mit 5-°/see zu einer Drehbewegung
in die positive Richtung veranlaßt, d. h. sie führt eine erwünschte Bewegung mit 3 5 in der positiven
Drehrichtung aus und hat eine unerwünschte Bewegung von 2 Sin der negativen Drehrichtung.
Der Stellantrieb 25 für die Handbasis 15 beginnt seine Bewegung zum Zeitpunkt t—h zu verringern und
kommt nil Zciipüiiki /= i'j ZUiTi Suilsiänu. Infolgedessen
wird dr.s Abweichungssignal der Handbasis 15 zum Zeitpunkt t=h 0. Nunmehr wird der Ausgang des
Operationsverstärkers 307=-^-, worauf dann die
Drehgeschwindigkeit des Stellantriebes 39 für die Handgelenkbasis 16 von 2 S 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
jo der Ausgang des Operationsverstärkers 407 =
so daß der Stellantrieb 49 für die Fingerbasis 18 mit einer Geschwindigkeit von 2 5, beispielsweise 180°/see,
zu einer Drehbewegung veranlaßt wird, während sich die Fingerbasis 18 selbs" im wesentlichen konstant mit
der Geschwindigkeit von S-" /see, beispielsweise 90" /see
weiterdreht
Dip HandgelenkhaeU 1β hpginnt mit Hpr Vprrinperung
ihrer Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t=tt und
kommt zum Zeitpunkt f= r5 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 Fig.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=& beginnt und zum Zeitpunkt
t = h 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 Handgelenkbasis 16 + E-VoIt
entspricht sowie das Abweichungssignal aus dem Operationsverstärker 406 für die Fingerbasis 18
+ E-VoIt beträgt
Damit wird das StellgröBensignal für die Handbasis 15 gleich +E-VoIt mit der Folge, daß sich der
Stellantrieb 25 für die Handbasis HS 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-0/see von 90°/see in Umdrehung versetzt Demnach
wird das Stellgrößensignal am Ausgang des Operationsverstärkers 307 =
-E
Obwohl dann der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 nicht arbeitet, wird jedoch die Handgelenkbasis 16
aufgrund der Negativdrehung des Stellantriebes 25 für die Handbasis 15 zum Zeitpunkt t=t\ 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
-E
-E
Das hat zur Folge, daß der Stellantrieb 49 für die
Fingerbasis 18 zum Zeitpunkt t=tt eine positive
Umdrehung mit der Geschwindigkeit S-"/see, nämlich
90°/see ausführt, womit auch die Fingerbasis 18 eine
entsprechende Drehung in positiver Richtung ausführt, weil der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 sich
in Ruhe befindet
Zum Zeitpunkt /= fe setzt dann die Geschwindigkeitsverminderung
der Handbasis 15 ein, wobei diese zum Zeitpunkt t=t3 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
= - -i-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-°/sec beibehält
Wird das Stellgrößensignal für die Fingerbasis 18
Wird das Stellgrößensignal für die Fingerbasis 18
I + I)= -J- 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 5-°/see beibehält Damit läßt sich aber der
weiche und glatte Steuerungsablauf nach Fig.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-"/see 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
! 5 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 Abweichungssigna! für die Handgelenkbasis 16 aufkommen, dann wird der
Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 so in Betrieb genommen, daß das Abweichungssignal für die Handgelenkbasis
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 +ErVoIt oder
-E-VoIt sowie auch das Abweichungssignal für die Handgelenkbasis 16 von +E-VoIt oder -E-VoIt
aafgeschaltet In einem solchen Falle wird der Stellantrieb 39 für die Handgelenkbasis 16 mit einer
Geschwindigkeit von 2 5-7sec 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 verzichtet werden.
Durch die vorstehend beschriebene, numerisch arbeitende Programmsteuerung lassen sich unerwünschte
Bewegungen der miteinander gekoppelten Glieder von Manipulatoren unwirksam machen. Diese
Wirkung ist dabei unabhängig von den aus den einzelnen Programmspeichern bzw. Befehlsgebern
abgerufenen Signalen, so daß mit einem verhältnismäßig einfachen Schaltungsaufbau glatte und kontinuierliche
Bewegungen des Manipulators sichergestellt werden.
Claims (4)
1. Numerisch arbeitende Programmsteuerung für
einen Manipulator mehreren miteinander gekoppelten, ζ. B, eine Handbasis, eine Handgelenkbasis und
eine Fingerbasisbildenden, 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 Manipulatorgiiedes 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
Ober einen einen Digital-Analogumsetzer und Verstärker enthaltenden Regelkreis auf den ■
jeweiligen Soll-Wert nachfuhrt, 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 Handgelenkbasis
bildenden, Manipulatorgiiedes (16) gespeist wird und dessen Ausgang mit einem Eingang
(—) des Vergleichsrechners (302) für das zweite Manipulatorgliede (16) "in Verbindung steht, daß der
Ausgang des Positionsmelders {390) für das zweite j5
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 Manipulatocglied
(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 - /?*Ohm ausgelegt ist.
3. Programmsteuerung nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- en
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) h". ausgelegt sind.
4. Programmsteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des
Verstärkers (206; 306; 406) die Polarität glejcrr der
Polarität des einen Eingangsignals, aber entgegengesetzt zur Polarität des anderen Eingangssignals ist
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