DE2527182A1 - Fernsteuervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Vorrichtung, die eine Fernsteuerung einer mechanischen Funktion auf die gleiche Weise ermöglicht, wie sie direkt bei zwangsläufigen, umsteuerbaren Antrieben bzw. Getrieben angewendet wird, d. h. über Entfernung gesteuertes Senden, Übertragen und Wiederherstellen von Informationen der Lage und Drehmomenten bzw. Kräftepaaren, die für die direkte Steuerung der Bewegung eines zu steuernden Modul-Elements durch ein Steuer-Modul-Element und umgekehrt nötig sind. Mit anderen Worten, die betrachtete Vorrichtung gewährleistet nicht nur ein Übertragen von Informationen vom Steuer-Element zum steuernden Element, sondern ebenso eine Rückführung von Informationen vom zu steuernden Element zum Steuer-Element, das ggf. durch die Bewegungsbedingungen dieses zu steuernden Elements in seiner

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eigenen Umgebung geändert werden kann, also eine Rückführung (Rückkopplung) der Empfindlichkeit zum Steuer-Element vorliegt.

Allgemeiner ausgedrückt, die Erfindung betrifft einen Simulator, dessen Steuer-Modul-Element die mechanischen Elemente simuliert, wobei diese Informationsverarbeitungseinheit einerseits die Lage- und Belastungsbefehle von einem Bediener, einem Automatenprogramm usw. empfängt, die erforderlichen Informationen zum zu steuernden Element überträgt und andererseits von diesem die Rückführ-Inform at ionen über die Empfindlichkeit empfängt, die wie die Lage- und Belastungsinformationen verarbeitet werden.

Es sind bereits derartige Vorrichtungen entwickelt worden, die Drehfeldgeber, Potentiometer oder Koordinatenwandler oder schließlich digitale Lagecodierer verwenden, die ähnlich bei dem Steuer- und dem zu steuernden Element vorgesehen sind. Ein Differenzsignal der relativen Lage, das von diesen beiden Lagefühlern erhalten wird, steuert eine symmetrische Stellschleife, die Motoren verstellt, die jeweils am Steuer- und zu steuernden Element vorgesehen sind, welche Motoren so das Übertragen der Lagebefehle und das Wiederherstellen der übertragenen Belastungen mit einer geringfügigen Verschiebung in bezug auf die Lage gewährleisten, der das bei der Rückführung einwirkende Drehmoment bzw. Kräftepaar entspricht. Es gibt auch analoge Vorrichtungen, die außerdem Belastungsfühler mit Einschnür-Kalibrierung oder mit Kompression elastischer Teile verwenden und ein analoges oder digitales Signal über die einwirkende Belastung mitnehmen, wobei die Lage- und Belastungsfühler gewöhnlich in Stellschleifen angeordnet sind, um zum gleichen Ergebnis zu führen. Es gibt schließlich noch eine Vorrichtung,

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die Schrittmotoren verwendet, die einem gemischten Lage- und Belastung sfühler zugeordnet sind, der Impulse entsprechend der gleichen Lageänderung erzeugt, wie diese durch die Motoren bewirkt wird, wobei das zuletzt genannte System auch die gleiche Funktion verwirklicht.

Diese verschiedenen Vorrichtungen haben unterschiedliche Nachteile : Die Potentiometer sind aufgrund elektrischer Störungen für Fernübertragungen problematisch; die Drehfeldgeber, die diesen Nachteil durch die Wechselsignale vermeiden, die sie übertragen, erfordern dagegen eine viel größere Anzahl von Drähten; die Koordinatenwandler erzeugen ein binäres oder analoges Signal und erfordern, indem sie eine Codierung absolut gleich wie ebenfalls verwendete optische Codierer liefern, das Übertragen einer Information mit großer Genauigkeit, also eines Binärsignales mit sehr vielen Bits. Das gleiche gilt auch für die Binärzahl, die durch Umwandlung der durch die Potentiometer gegebenen Signale für absolute Lage erhalten wird, und das Multiplexen in dieser absoluten digitalen Steuerung einer großen Anzahl gleichzeitiger mechanischer Funktionen benötigt eine sehr große Übertragungskapazität .

Im übrigen erlaubt die Verwendung von Schrittmotoren in der zuletzt genannten Vorrichtung eine beträchtliche Verringerung des Informationsanfalls, aber die betrachteten Motoren sind nicht umsteuerbaren Übertragungen zugeordnet, und ihre Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsgrenzwerte schränken die Leistungen der Systeme ein, denen sie zugeordnet sind.

Es gibt ebenfalls mechanische Vorrichtungen, die in der Lage von

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Steuer-Elementen mit Speichern, Logik-Gliedern und Verarbeitungsfunktionen programmiert oder gesteuert sind, die Stellschleifen für zu steuernde Elemente ähnlich den oben erläuterten Vorrichtungen steuern, aber diese Vorrichtungen sind allgemein nicht umsteuerbar, und jeder Lagefehler der zu steuernden Einrichtung kann auf einer starren Umgebung unkontrollierte Belastungen mit sich bringen, wobei bei keiner Ursache eine Übereinstimmung mit den Belastungen vorliegt, die von diesem Bereich auf das zu steuernde Element einwirken.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die diese verschiedenen Nachteile überwindet, indem die Verwendung von elektrischen oder hydraulischen herkömmlichen Motoren mit hohem Drehmoment und mit geringer Trägheit ermöglicht wird, die umsteuerbaren mechanischen Ketten zugeordnet sind, die dennoch eine digitale Fernübertragung verwirklichen, die möglichst wenig Informationen benötigen, die also leicht gemultiplext sind, wenn eine große Anzahl von Funktionen gleichzeitig gesteuert werden muß, wie dies bei Fern- oder Telemanipulatoren mit Rückführung der Belastung und programmierten Automaten der Fall ist, die entsprechend dieser Steuerart arbeiten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fernsteuerung einer mechanischen Einheit bezüglich Bewegungen (Lageänderungen) und Belastungen, wobei die mechanische Einheit durch einen Motor betätigbar ist, zeichnet sich dadurch aus, daß die mechanische Einheit umsteuerbar ist und einen Bewegungsfühler aufweist, der jeweils einen Impuls erzeugt, wenn eine die Bewegungen der mechanischen Einheit bewirkende und dem Motor zugeordnete Welle um einen Schritt weiterläuft, wobei das Vorzeichen des Impulses vom Drehsinn des Motors abhängt, daß die Impulse in einen

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Addierer eingespeist werden, dessen anderer Eingang mit Impulsen beaufschlagt ist, die durch eine Steuereinheit des Motors erzeugt sind und die Befehle für die Stellung des Motors bilden, und daß das Ausgangssignal des Addierers einerseits zur Steuereinheit rückgeführt, um die Belastung rückzuführen, und andererseits zum Eingang eines Verstärkergliedes gelangt, das das Drehmoment des Motors steuert.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel (entsprechend einem Master-Slave-Manipulator) zeichnet sich die erfindungsgemäße umsteuerbare mechanische Fernsteuervorrichtung zwischen einem Steuer-Element (Master) und einem zu steuernden Element (Slave), deren jedes durch einen Motor betätigbar ist, dadurch aus, daß die Steuereinheit aus einer zweiten mechanischen Einheit besteht, die durch einen Motor betätigbar ist und einen Bewegungsfühler aufweist, der jeweils einen Impuls erzeugt, wenn die dem Motor zugeordnete Welle um einen Schritt weiterläuft, wobei das Vorzeichen des Impulses vom Drehsinn abhängt, daß die Impulse entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, wenn die Motoren im gleichen Drehsinn umlaufen, und daß die Eingänge des Addierers durch die Impulse gesteuert sind, wobei der Ausgang des Addierers mit zwei Verstärkergliedern verbunden ist, deren jedes einen der Motoren steuert.

Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine einfache Fernübertragung und eine Übertragung mittels einer einzigen Informationsleitung ermöglicht, zeichnet sich dadurch aus, daß jede Impulsfolge (Puls) den Eingang eines parallel zu einem Speicher liegenden Zählers steuert, daß der Ausgang des der ersten mechanischen Einheit zugeordneten Speichers mit einem Multiplexer verbunden

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ist, der an einen Demultiplexer angeschlossen ist, daß der Ausgang des Demultiplexers an einen der Eingänge des Addierers angeschlossen ist, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Speichers verbunden ist, der der Steuereinheit zugeordnet ist, daß der Ausgang des Addierers mit einem zweiten Addierer verbunden ist, dessen Ausgang an die zwei Verstärkerglieder angeschlossen ist, daß ein erster Taktgeber vorgesehen ist, der sequentiell das Übertragen des Inhaltes des Speichers des zu steuernden Elements in den Multiplexer und das Löschen des zugeordneten Zählers hervorruft, und daß ein zweiter Taktgeber sequentiell das Übertragen des Inhalts d es dem Steuer-Element zugeordneten Speichers und das Löschen des zugeordneten Zählers hervorruft .

Es ist vorteilhaft, daß jedem Element zwei Speicher und ein Addierer zugeordnet sind, die ein Signal ermöglichen, das die Beschleunigung jedes Elements wiedergibt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ausgang jedes Fühlers mit einem Zähler verbunden ist, dessen Ausgang einen Speicher ansteuert, daß der Ausgang jedes Speichers selbst mit einem Digital-Analog-Umsetzer verbunden ist, daß die Ausgänge der Umsetzer die Eingänge eines Addier-Integrier-Gliedes beaufschlagen, das an seinem Ausgang ein analoges Signal erzeugt, das den Fehler zwischen den Lagen des Steuer- und des zu steuernden Elements angibt.

Es ist schließlich noch vorteilhaft, daß die Steuer-Einheit durch eine Verarbeitungs- und/oder Programmiereinheit der Lage- und Belastungsinformationai gebildet ist, die Impulse erzeugt.

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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung,

Fig. 2 eine Abwandlung der Vorrichtung mit zusätzlich einem sequentiellen Addierer,

Fig. 3 eine Abwandlung der Vorrichtung mit zusätzlich sequentiellen Speichern und einem zweiten Addierer,

Fig. 4 eine Variante der Vorrichtung mit Digital-Analog-Umsetzung, und

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Verarbeitungseinheit .

In der Fig. 1, die die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt, sind ein Steuer-Element a und ein zu steuerndes Element b vorgesehen, die jeweils einen Hebel la, der sich um eine Drehachse 2a im Steuer-Element und die Bauteile des gleichen Bezugs zeichens dreht, die mit einem Index b versehen sind, und einen Hebel Ib des zu steuernden Elements haben, der um die Drehachse 2b umläuft. Motoren 3a, 3b betätigen diese mechanischen Übertragungsvorrichtungen mittels Zahnrad- oder Rädertrieben 4a und 4b. Die gesamte Vorrichtung wird durch Bewegungsfühler vervollständigt, die bei Drehung der Hebel um ihre Achsen Impulse erzeugen, d. h. ein Bewegungsfühler 5 a auf der Steuer-Seite und ein Bewegungsfühler 5 b auf der Steuer-Seite und ein Bewegungsfüh-

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ler 5 b auf der zu steuernden Seite. Selbstverständlich kann eine Entfernung groß sein, und/oder ein schwierig zu durchquerendes mechanisches Hindernis trennt das Element a und das Element b. Diese Schranke und/oder diese Entfernung sind durch eine symbolische W and 6 dargestellt. Es soll daran erinnert werden, daß die Erfindung insbesondere eine Verringerung der Anzahl und der Kompliziertheit der Verbindungen zwischen den Elementen a und b anstrebt. Zusätzlich sollen nahe beim Element a möglichst viele Bauteile vorgesehen sein, die zugänglicher als das Element b aufgrund der Entfernung, der Wand, die das Steuer-Element von dem zu steuernden Element b trennt, oder der gefährlichen Umgebung sind, in der sich b befindet.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung speist eine einzige Verbindung 7 b die durch den Bewegungsfühler 5 b der zu steuernden Seite erzeugten Impulse bis zur Steuer-Seite, wo sie in einen Addierer 8 eingespeist werden, der über eine ähnliche Verbindung 7a, die nicht die Schranke durchquert, die Impulse vom Steuer-Bewegungsfühler 5a empfängt. Dieser Addierer 8 liefert das algebraische Ergebnis der gesammelten Bewegungen von den Gliedern 5 a und 5 b, d. h. in jedem Zeitpunkt die eventuelle relative Lageabweichung zwischen den beiden gesteuerten Elementen. Dieses Fehlersignal wird gleichzeitig in zwei Vorverstärker 10a und 10b gespeist, die jeweils Leistungsverstärker 11a und 11b ansteuern, die die Motoren 3 a und 3 b steuern. Erfindungsgemäß sind die beiden Verstärker 10 a und 10 b in der Nähe des Steuer-Armes vorgesehen, und eine zweite Verbindung 12, die der Verbindung 7 ähnlich ist und die Schranke 6 durchquert, speist die Steuersignale zum Leistungsverstärker 11b, der in der Nähe des Motors 3b in der gefährlichen Umgebung und nahe bei einer nicht dargestellten unabhängigen Leistungsquelle vorgesehen ist.

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Im folgenden wird der Betrieb dieser Vorrichtung ausgehend einer Anfangsstellung der Hebel la, Ib entsprechend einer algebraischen Summe 0 im Addierer 8 erläutert. Wenn eine Bewegung auf den Steuer-Hebel la einwirkt, kommen die vom Bewegungsfühler 5a erzeugten polarisierten Impulse (ein Impuls entspricht Einheitsschritten der Bewegung und hat ein Vorzeichen, das den Richtungssinn der Bewegung anzeigt) am Addierer 8 an, der ein Lagefehlersignal mit erzeugt. Dieses Signal führt mittels des Vorverstärkers 10 b zu einer Bewegung des Motors und des Hebels Ib in der gleichen Richtung, bis die durch die Bewegung des Fühlers 5 b hervorgerufenen Impulse das den Addierer verlassende Ergebnis auf den Wert 0 zurückgeführt haben. Dieser erste Fall entspricht einer Bewegung, die keinen Widerstand erfahren hat.

Wenn der Hebel 1 b einen Widerstand erfährt und wenn der Hebel la bewegt wird, muß eine bestimmte Anzahl von Impulsen vorliegen, damit die Verstärkerkette 10 b, 11 b ein ausreichendes Drehmoment bzw. Kräftepaar zum Motor 3b speist, um den auf den Hebel Ib einwirkenden Widerstand zu überwinden. Ein gleiches oder proportionales Drehmoment wird durch den Zweig 10 a, 11a zum ähnlichen Motor 3 a gesteuert und beaufschlagt somit den Hebel 1 a mit einem gleichen oder proportionalen Widerstand wie der auf den Hebel 1 b einwirkende Widerstand. Wenn also der Hebel Ib durch eine aktive Kraft anstelle eines passiven Widerstaides belastet ist, arbeitet die symmetrische Vorrichtung gleich, und ein auf den Steuer-Arm la einwirkender Widerstand kann die aktive Belastung zum Verschwinden bringen, die am zu steuernden Arm Ib liegt, worauf die dieser Vorrichtung gegebene Bezeichnung beruht: Bilaterale Steuerung mit Rückführung der Belastung oder umsteuerbare Steuerung mit Rückführung der Belastung.

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Der Bewegungsfühler, wie 5a oder 5b, erzeugt Impulse entsprechend einer Einheitsbewegung oder eines Schrittes (inkrements) und gibt gleichzeitig den Richtungssinn dieser Bewegung an, wobei er so dargestellt ist, daß er positive Impulse im einen Richtungssinn und negative Impulse im anderen Richtungssinn erzeugt, die durch die Verbindung 7a oder 7 b übertragen werden, die diesen Fühler mit dem Addierer 8 verbinden .

Bei einer Anlage, die eine derartige Fernübertragung verwendet, bewirken die Trägheiten der Bauteile, wie z. B. der Motoren 3b und 3a, der Hebel Ib, la oder die ihnen zugeordneten Elemente, in gleicher Weise dynamische Informationen mit Trägheit. Wenn nämlich eine schnelle Bewegung auf den Hebel 1 a einwirkt, führt die vorübergehende Erzeugung eines den Addierer 8 verlassenden Lagefehlersignales gleichzeitig zu einem Drehmoment des Motors 3b, der dem Hebel Ib die gewünschte Beschleunigung gibt, und gleichzeitig zu einem Drehmoment proportional oder gleich im Widerstand mittels des Motors 3 a auf dem Wert des Hebels la. Somit ist die Rückführung der Belastung nicht nur statisch, sondern dynamisch, und die Trägheit des Steuer-Elements ist steuerseitig wiederhergestellt. Sie paßt sich also offenbar der Trägheit an, die dem betreffenden Steuer-Element eigen ist. Daraus ergeben sich die Hauptvorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich einerseits die geringe Informatiorismenge, die durch die Leitung 7 übertragen ist, die allein die Impulse überträgt, die auf der Bewegung anstelle der ggf. schnellen Wiederholung einer die absolute Lage wiedergebenden großen Anzahl beruhen, und andererseits die einfache Möglichkeit einer Einspeisung 9 von Hilfsimpulsen in den Addierer 8. Diese Impulse rufen dann eine relative Bewegung, gesteuert vom Hebel 1 b_ in bezug auf den

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Hebel 1 a, oder eine Verschiebung hervor, wodurch so Hilfs-Bewegungen ermöglicht werden, die nicht direkt durch den Hebel la gesteuert sind, die aber in jedem Zeitpunkt während ihrer Ausführung nicht aufhören, unter dem Gesichtspunkt der Belastung auf den Pegel des Steuer-Hebels la wiederhergestellt zu sein.

Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß die Bewegungsfühler 5 a, 5 b vorzugsweise auf der Welle des Motors 3 angeordnet sind, was die Stellschleife vom mechanischen Spiel freim acht. Der Fühler kann optisch, magnetisch usw. arbeiten.

Die Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein sequentielles Zählen verwendet. Wenn eine bestimmte Anzahl von Funktionen gleichzeitig auf einer einzigen Verbindung übertragen werden muß, so ist es zur Durchführung einer sog. Multiplex-Steuerung erforderlich, jede dieser Funktionen zu kalibrieren. Zu diesem Zweck wird auf bereits diskutierte Weise in jedem sequentiellen Zähler die Bilanz der Bewegung während einer gegebenen Zeitdauer abgegriffen, die bei der erläuterten Möglichkeit zwischen 1/10 und 1/100 s liegen kann, so daß für jede der betrachteten Bewegungen diese Werte in Reihe in ein einziges Signal adressiert werden, das nach Demultiplexen jeden dieser Abtastwerte in den entsprechenden Kanälen wiederherstellt.

In der Fig. 2 ist auf der zu steuernden Seite der Bewegungsfühler 5b vorgesehen, der polarisierte Impulse zu einem Zähler 13b speist, dem ein parallelgeschaltetes Register 14 b folgt. Ein Taktgeber 15 b steuert den Übergang vom Register 14 b, das den Speicher in einer MuI-tiplex-Einheit 16b bildet. Nach einer geringen Verzögerung aufgrund des

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Bauelements 17 b befiehlt der Taktgeber das Nullrücksetzen des Zählers 13 b. Nachdem auf dem Kanal 7 erfolgten Übertragen aller Informationen, die von dem Fühler 5 b ähnlichen Bauteilen kommen, die sich gleichzeitig bewegen können, stellt ein empfangsseitiger Demultiplexer 18 a beim Steuer-Element das gleiche sequentielle Zählen der Bewegungen des Fühlers 5b her. Ein steuerseitiger Taktgeber 15 a der gleichen Frequenz steuert eine ähnliche Leitung 13 a, 17 a, 14 a, die direkt zum Addierer 8 die sequentiellen Abzählungen der Bewegungen des Fühlers 5a speist. Es ist ersichtlich, daß der Addierer 8 hier sequentiell arbeitet und die gleichen Informationen wie beim allgemeinen Ausführungsbeispiel der Fig. 1 empfängt. Dagegen wird durch die Anordnung der Zähler und Register 13 und 14, auf der Steuer-Seite wie auf der zu steuernden Seite den Taktgebern 15 zugeordnet, die sequentielle Ausführung der Addierung der Lageänderungen oder Bewegungen ermöglicht, wie in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Addierer 8 kann die sequentiellen Zählungen, die von der Steuer- und der zu steuernden Seite kommen, synchron oder nichtsynchron empfangen, und er stellt ständig die Bilanz der Änderungen der relativen Lage des gesteuerten Elements in bezug auf das Steuer-Element her. Wenn der Addierer 8 synchron arbeitet, muß der Synchronismus oder Gleichlauf der Taktgeber 15a und 15b gewährleistet werden. Durch den Pfeil 19 ist der Taktgeber 15b wieder mit dem Ausgang des Demultiplexers 18a verbunden. Ein Nullsetzen des Addierers 8, das durch den Taktgeber 15 a mittels eines Verzögerungsgliedes 20 gesteuert ist, ermöglicht es also, daß zum Ausgang 21 des Summiergliedes 8 digital die momentane Differenzgeschwindigkeit übertrag« wird, die synchron zu dem Takt ist, der über die Leitung 19 aus dem Demultiplexer 18 austritt. In diesem Fall gewährleistet ein zweiter Addierer 22 die Integration dieser Differenz-

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geschwindigkeit und erzeugt also sequentiell den Wert der relativen Fehler lage.

Im übrigen liefert der Ausgang 23 b des Demultiplexers synchron mit dem Taktgeber den digitalen Wert der Geschwindigkeit auf der zu steuernden Seite, und ebenso liefert am Ausgang 23 a das Ausgangssignal des Speicherregisters 14a die Steuer-Geschwindigkeit. Aufgrund der Ausgänge 21, 22, 23 a und 23 b kann über die Abweichung der Geschwindigkeit, die Abweichung der Lage vom augenblicklichen Wert sowie über die Steuer- und die zu steuernde Geschwindigkeit verfügt werden, wobei diese Baueinheiten selbstverständlich in Stellschleifen vorgesehen sein müssen, die den Steuer- und den zu steuernden Motor über die Leistungsverstärker 11a und 11b der Fig. 1 steuern.

Die Fig. 3 zeigt, wie die Verwendung zusätzlicher Speicher es ermöglicht, diesen verschiedenen Größen die sequentielle Kenntnis der Beschleunigung des Steuer-Armas und des zu steuernden Armes beizufügen, wobei diese Größen zur Verbesserung der Vorrichtung mit Rückführung der Belastung bedeutend sind, die somit in bestimmten Wirkungen atfgrund der Trägheit verbessert werden kann, die den Bauteilen der Manipulatoren eigen ist, wie dies weiter oben erläutert wurde.

In der Fig. 3 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in der Fig. 2. Wesentlich an diesem Ausführungsbeispiel ist die Verwendung von zwei zusätzlichen Speichern in jeder Schaltung. Es ist die gleiche Asymmetrie der Aufstellung in einer gefährlichen Umgebung gezeigt, wo die Elemente b vorgesehen sind, nämlich die zu steuernden Bauteile, die von dem Ort mittels einer Ab-

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trennung 6 getrennt sind, an dem die Steuer-Elemente a vorgesehen sind. Die zu steuernden Elemente sind streng die gleichen, was den Bewegungsfühler 5b, der seine Impulse zum sequentiellen Zähler 13 b speist, der sein sequentielles Zählen in den Speicher oder das Register 14b speist, die beide durch den Taktgeber 15b gesteuert sind, anbelangt, wobei der Zähler 13b durch den Taktgeber 15b über das Verzögerungsglied 17b auf Null rückgesetzt wird. Der gleiche Taktgeber steuert die Übertragung der im Register 14 b enthaltenen Informationen zur Multiplexer-Einheit 16b, die teilweise dargestellt ist, und die Verbindung 7 speist alle digitalen multiplexten Informationen in den Demultiplexer 18a auf der Steuer-Seite. Von diesem Demultiplexer treten die Taktsignale aus, die bei 19 wiederhergestellt werden, die die Bauelemente am Ausgang des Demultiplexers steuern. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel speichert ein erster Speicher oder ein Register 24 b die aus dem Demultiplexer 18 a austretende Information, ein zweites Register 25 b empfängt die Information des ersten Registers 24b, wenn der Taktgeber 19 nach einer kurzen Verschiebung, die durch das Verzögerungsglied 26 b gesteuert ist, ihm davon das Signal überträgt. Dieses gleiche Signal ruft die Übertragung des Inhalts des Registers 25 b in einen Addierer 27 b hervor, wo er von der augenblicklichen Information abgezogen wird, die direkt vom Bauteil 14 b über die Leitung 29b eingespeist wird, d. h. es wird die Differenz der augenblicklichen Geschwindigkeit im gegebenen Zeitpunkt und in einem Zeitpunkt ermittelt, der um eine Taktperiode vorher vorgesehen ist. Der Ausgang 28 b dieses sequentiellen Addierers liefert also den Wert der Beschleunigung des gesteuerten Elements, dessen Informationen vom Bewegungsfühler 5b erzeugt werden. Im übrigen kommen die die augenblickliche Geschwindigkeit auf der zu steuernden Seite angegebenden

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Informationen direkt vom Demultiplexer gemäß der Verbindung 29 b, deren Verlängerung zum Addierer 8 führt. Ebenso ist auf der Steuer-Seite der Bewegungsfühler 5 a vorgesehen, dessen Informationen im Zähler 13 a gezählt werden, entsprechend den vom Taktgeber 19 erzeugten und leicht mittels eines Verzögerungsgliedes 17 a verzögerten Folgen, wobei diese Informationen in einem Register 14 a gespeichert werden, das hier eine dem Demultiplexer analoge Funktion erfüllt. Gemäß der dargestellten Variante der Erfindung erzeugen zwei andere Speicher oder Register 24 a und 25 a, die den Speicher 24 b und 25 b ähnlich sind, unter dem Einfluß der Impulse vom Taktgeber die augenblickliche Geschwindigkeit in einer Zeit, die im Addierer 27a vorgeht, wo sie von der augenblicklichen Information abgezogen wird, die bei 14a austritt und auf der Leitung 29 a übertragen wird. Auf gleiche Weise liegt am Ausgang 28 a dieses Addierers 27 a der augenblickliche Wert der Beschleunigung des Steuer-Elements vor, während die Information der augenblicklichen Geschwindigkeit von der Leitung 29 a auch zum Addierer 8 gespeist wird, dem ein zweiter Addierer 22 folgt, wie dies bereits oben anhand der Fig. 2 erläutert wurde.

Wesentlich ist also, daß in jedem Zweig ein zweiter sequentieller Zähler, der einem zusätzlichen oder Hilfs-Speicher vorgeht, eine weitere Kenntnis über die Beschleunigungen auf der Steuer- und der zu steuernden Seite geben kann, die zur Steuerung des Motors auf der Steuer- und der zu steuernden Seite nützlich ist. Die Fig. 2 und 3 beziehen sich vollständig auf digitale Ausführungsformen der Erfindung, die sic h insbesondere zur Verwirklichung mit einem digitalen Klein- oder Kleinstrechner anbieten.

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Die Fig. 4 zeigt ein anderes praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Digital-Analog-Umsetzung verwendet.

In der Fig. 4 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den Fig. 1 und 2. Dies gilt für die Bewegungsfühler 5 a und 5 b der Steuer- und der zu steuernden Seite, die sequentiellen Zählereinheiten 13 b, 14 b und 13 a, 14 a, die als eine Verarbeitungseinheit dargestellt sind, die Verbindung 7 von der zu steuernden Seite zur Steuer-Seite, die durch einen Multiplexer 16b und einen entsprechenden Demultiplexer 18 a verläuft oder nicht, um die augenblickliche digitale Geschwindigkeitsinformation in einen Digital-Analog-Umsetzer 30b einzuspeisen, dem ein analoges Steuer-Element 30 a entspricht. Ihre jeweiligen Ausgänge erzeugen eine analoge Spannung, die in jedem Zeitpunkt die Geschwindigkeit des Elementes entsprechend der Steuer- oder der zu steuernden Seite ist. Es soll daran erinnert werden, daß zur Vereinfachung der Darstellung die Bauteile 5 a und 5 b Impulse entgegengesetzten Vorzeichens erzeugen, wenn sie im gleichen Richtungssinn umlaufen. Unter diesen Bedingungen wird die algebraische Summe der augenblicklichen Geschwindigkeiten durch Addition in einem Addierer 31 verwirklicht, der das augenblickliche Geschwindigkeitsfehlersignal integriert und im Glied 32 den analogen Wert des Lagefehlersignales ausgehend von Schrittsignalen (inkrementsignalen) erzeugt, die die Bewegungsfühler 5a und 5b verlassen, weshalb die direkten Ausgänge 33 b und 33 a für die Größe der Geschwindigkeiten der Steuer- und der zu steuernden Seite bei der gesamten Steuerung so verwendet werden können, wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist. Im übrigen können auf dem Pegel dieser analogen Größen der Geschwindigkeit der Steuer- und der zu steuernden Seite mittels eines Differenziergliedes 34 b

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und dessen entsprechenden Bauelements 34 a die Werte der Beschleunigungen erhalten werden, wenn diese erforderlich sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, direkt die Vorrichtung zum Messen der Bewegungen, die dem sequentiellen Zählen und dem Summierglied zugeordnet sind, mit einer analogen Stellschleife zu verbinden, deren Aufbau im übrigen bereits beschrieben worden ist. Daraus und aus den anhand der Fig. 2, 3 und 4 gegebenen Erläuterungen ergibt sich einer der bedeutenden Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung . Wenn nämlich die Anordnung des Steuer- und des zu steuernden Elements, die zur Wiedergabe von Bewegungen und zur zweiseitigen Übertragung von Belastungen bestim mt ist, eine minimale Empfindlichkeit entsprechend z. B. einem Fehlersignal einer Einheitslage benötigt, so ist es im übrigen offensichtlich, daß die entsprechende relative mechanische Bewegung zwischen dem Steuer- und gesteuerten Element sehr klein bleiben muß, z. B. 1/10 eines mm für den Schwellenwert, der weiter unten näher erläutert wird. Wenn im übrigen der Verlauf einer Bewegung, der gewöhnlich durch einen Codierer für eine absolute Lage markiert wird, einen oder mehrere Meter beträgt, so ist ersichtlich, daß die Größenordnung der Anzahl, die diese Lage anzeigt, bei 10 000 liegt, was 13 bis 14 Bits in Binärschreibweise bedeutet, und daß diese Binär zahl auf der Umwandlung einer analogen Spannung oder einer Phasendifferenz in einem Koordinatenwandler oder schließlich indirekt auf einem absoluten optischen Codierer beruht.

Wenn sich weiterhin das Steuer- oder das gesteuerte Element mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von m/s bewegen soll, so ist leicht einzusehen, daß bei der sequentiellen Übertragung durch Multi-

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plexen mit einer Frequenz von 50 bis 100 Hz gearbeitet werden muß. Unter diesen Bedingungen muß die Informationsübertragung von 13 Bits 50- bis lOOmal in der Sekunde durchgeführt werden, was zu einer komplizierten Elektronik führt.

Es \i*ärd nun die erfindungsgemäße Vorrichtung betrachtet: Wenn ein Impuls 1/10 eines mm entspricht, bedeutet die maximale Geschwindigkeit von 1 m/s 10 000 Schritten/s, d. h. 100 Schritte lOOmal/s oder 200 Schritte bei 50 Hz. Die maximale Zahl, die also gezählt, multiplext, übertragen, demultiplext und verwendet werden muß, ist nicht mehr als eine Zahl von 7 bis 8 Bits anstelle von 13 Bits. Diese Vorrichtung, die keine absolute Lagemarkierung benötigt, ist für die Erleichterung der Übertragung von Multiplex- oder Demultiplex-Elementen sowie von Rechen-Elementen nützlich, die digital in einem Kleinrechner (entsprechend den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 oder 3) verwirklicht werden können. Dies vereinfacht die Abmessungen, was dann besonders vorteilhaft ist, wenn das Leiten oder Führen auf Sicht und ein "Berühren" des Armes der zu steuernden Seite hauptsächlich angestrebt wird.

Weiterhin erleichtert die erfindungsgemäße Vorrichtung die Verwirklichung von zusätzlichen oder Hilfs-Verschiebungen ohne Verlust in irgendeinem Zeitpunkt der Rückführung der Belastung auf der Steuer-Seite.

Schließlich kann bei einer guten Verwirklichung der Mechanik- und Steuer-Einheit ein möglicher Zählverlust vollständig vermieden werden, und es wird also über leicht auf Magnetbändern aufzuzeichnende Inform a-

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tionen für eine Programmierung eines Manipulators in vernünftiger Zeit verfügt.

Dies gilt alles in gleicher Weise, wenn das Steuer-Element in der Form einer Verarbeitungseinheit und/oder eines Programmes ausgebildet ist, das an der Stelle eines Bedieners die Informationen in Rückführung analysiert, sie mit programmierten Befehlen kombiniert, oder wenn die Informationen gleich von einem Bediener kommen, und wenn dem Arm auf der zu steuernden Seite vorgesehenen Arm die Befehle übertragen werden, die daraus abgeleitet sind.

Die Fig. 5 zeigt hierfür ein Ausführungsbeispiel. Die zu steuernde Seite (mit dem Bezugszeichen b versehen) ist identisch zu der entsprechenden Seite des Ausführungsbeispieles der Fig. 1. Auf der zu steuernden Seite ist das mechanische Bauteil (Motor, Hebel, Fühler) durch eine Einheit a für die Verarbeitung und/oder Programmierung der Lage- und Belastungsinformationen ersetzt. Diese Einheit empfängt Lage- und Belastungsbefehle, die durch einen Pfeil C angedeutet sind. Diese Befehle können z.B. auf einem Magnetspeicher aufgezeichnet sein. Die Einheit a verarbeitet diese Befehle, um z. B. in der Form von Impulsen Befehle zu erzeugen, die über die Leitung 7 a in den Addierer 8 eingespeist werden. Am Ausgang des Addierers 8 wird das Fehlersignal wieder über die Leitung 12 zur Verarbeitungseinheit a rückgeführt. Diese Rückführung ändert die Verarbeitung der Befehle C und bildet somit eine Rückführung oder Rückmeldung der Belastung.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Fernsteuervorrichtung einer mechanischen Einheit bezüglich Bewegungen und Belastungen, wobei die mechanische Einheit durch einen Motor betätigbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die mechanische Einheit (b) umsteuerbar ist und einen Bewegungsfühler (5b) aufweist, der jeweils einen Impuls erzeugt, wenn eine die Bewegungen der mechanischen Einheit (b) bewirkende und dem Motor (3b) zugeordnete Welle um einen Schritt weiterläuft, wobei das Vorzeichen des Impulses vom Drehsinn des Motors (3b) abhängt,

daß die Impulse in einen Addierer (8) eingespeist werden, dessen anderer Eingang mit Impulsen beaufschlagt ist, die durch eine Steuereinheit (a) des Motors erzeugt sind und die Befehle für die Stellung des Motors bilden, und

daß das Ausgangssignal des Addierers (8) einerseits zur Steuereinheit (a) rückgeführt, um die Belastung rückzuführen, und andererseits zum Eingang eines Verstärkergliedes (lOb, 11b; 10a, lla) gelangt, das das Drehmoment des Motors (3b) steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (a) aus einer zweiten mechanischen Einheit besteht, die durch einen Motor (3 a) betätigbar ist und einen Bewegtmgsfühler (5 a) aufweist, der jeweils einen Impuls erzeugt, wenn die dem Motor (3a)

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zugeordnete Welle um einen Schritt weiterläuft, wobei das Vorzeichen des Impulses vom Drehsinn abhängt, daß die Impulse entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, wenn die Motoren (3a, 3b) im gleichen Drehsinn umlaufen, und daß die Eingänge des Addierers (8) durch die Impulse gesteuert sind, wobei der Ausgang des Addierers (8) mit zwei Verstärkergliedern (lOa, 10b) verbunden ist, deren jedes einen der Motoren (3 a, 3b) steuert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Impulsfolge (Puls) den Eingang eines parallel zu einem Speicher (14a, 14b) liegenden Zählers (13a, 13b) steuert, daß der Ausgang des der ersten mechanischen Einheit (b) zugeordneten Speichers (14b) mit einem Multiplexer (16 b) verbunden ist, der an einen Demultiplexer (18 a) angeschlossen ist, daß der Ausgang des Demultiplexers (18 a) an einen der Eingänge des Addierers (8) angeschlossen ist, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Speichers (14a) verbunden ist, der der Steuereinheit (a) zugeordnet ist, daß der Ausgang des Addierers (8) mit einem zweiten Addierer (13a) verbunden ist, dessen Ausgang an die zwei Verstärkerglieder (lOa, 10 b) angeschlossen ist, daß ein erster Taktgeber (15a) vorgesehen ist, der sequentiell das Übertragen des Inhaltes des Speichers des zu steuernden Elements (b) in den Multiplexer (l6b) und das Löschen des zugeordneten Zählers (13b) hervorruft, und daß ein zweiter Taktgeber (15a) sequentiell das Übertragen des Inhalts des dem Steuer-Element (a) zugeordneten Speichers und das Löschen des zugeordneten Zählers (13a) hervorruft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

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der erste Addierer (8) synchron arbeitet, und daß die beiden Taktgeber (15a, 15 b) mittels der Multiplexer-Demultiplexer-Einheit (16b, 18a) synchronisiert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Demultiplexers (18 a) auch mit dem Eingang eines Speichers verbunden ist, der seinerseits an einen anderen Speicher angeschlossen ist, dessen Ausgang einen der Eingänge eines Addierers beaufschlagt, dessen anderer Eingang direkt mit dem Ausgang des Demultiplexers (l8a) verbunden ist, daß das Übertragen des Inhalts des ersten Speichers in den zweiten Speicher durch den Taktgeber (15a) gesteuert ist, daß das Übertragen des Inhaltes des zweiten Speichers in den Addierer durch den Taktgeber (15a) gesteuert ist, daß der dem Steuer-Element (a) zugeordnete Speicher zwei andere reihengeschaltete Speicher beaufschlagt, daß der zweite dieser beiden Speicher einen der Eingänge eines Addierers beaufschlagt, dessen anderer Eingang direkt durch den Ausgang des dem Steuer-Element (a) zugeordneten Speichers angesteuert ist, daß die Übertragung des Inhalts des ersten der beiden anderen Speicher durch den Taktgeber (15a) gesteuert ist, und daß die Übertragung des Inhaltes des zweiten der anderen Speicher in den Addierer durch den Taktgeber (15a) gesteuert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang jedes Fühlers (5a, 5b) mit einem Zähler verbunden ist, dessen Ausgang einen Speicher ansteuert, daß der Ausgang jedes Speichers selbst mit einem Digital-Analog-Umsetzer (30a, 30 b) verbunden ist, daß die Ausgänge der Umsetzer (30a, 30b) die Eingänge eines

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Addier-Integrier-Gliedes beaufschlagen, das an seinem Ausgang ein analoges Signal erzeugt, das den Fehler zwischen den Lagen des Steuer- und des zu steuernden Elements angibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Multiplexer (l6b) und einen Demultiplexer (18a) zwischen dem Speicher des zu steuernden Elements (b) und dem Eingang des zugeordneten Digital-Analog-Umsetzers (30 a, 30b).

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang jedes Digital-Analog-Umsetzers (30a, 30b) auch ein Differenzierglied (34a, 34b) beaufschlagt, das an seinem Ausgang ein Signal erzeugt, das die Beschleunigung jeweils des Steuer- und des zu steuernden Elements angibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-Einheit (a) durch eine Verarbeitungs- und/oder Programmiereinheit der Lage- und Belastungsinformationen gebildet ist, die Impulse erzeugt.

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