DE2558493C3 - Steuerarm fur die Fernsteuerung eines Arbeitsarmes eines Manipulators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrgiiedrigen Steuerarm für die Fernsteuerung eines ebenfalls mehrgiiedrigen und motorgetriebenen Arbeitsarmes eines Manipulators, bei dem die Anzahl der möglichen Bewegungen des Steuerarmes mit der Anzahl der möglichen Bewegungen des Arbeitsarmes übereinstimmt und für die Erfassung der jeweiligen Einstellung der einzelnen Glieder sowohl des Steuerarmes als auch des Arbeitsarmes mit einer gemeinsamen Vergleichseinrichtung gekoppelte Stellungssignalgeber vorgesehen sind.

Telemanipulatoren, wie sie beispielsweise für die Ausführung von Arbeiten in unzugänglichen oder für Menschen aus Sicherheitsgründen nicht betretbaren Räumen Verwendung finden, besitzen vielfach einen Steuerarm und einen Arbeitsarm, die jeder mehrere Glieder aufweisen und in der Weise miteinander gekoppelt sind, daß eine Bewegung eines Steuerarmgliedes eine entsprechende Bewegung eines zugeordneten Arbeilsarmgliedes auslösen kann. Soweit die Kopplung zwischen den Steuerarmgliedern einerseits und den Arbeitsarmgliedern andererseits in mechanischer Weise ausgeführt ist, so daß die Antriebskraft für die Bewegung der Arbeitsarmglieder unmittelbar an den Steuerarmgliedern aufgebracht werden muß, ergeben sich rasch Grenzen für die Größe der mit diesen Telemanipulatoren zu bewältigenden Lasten. Eine Aufhebung dieser Grenzen ist dann möglich, wenn die einzelnen Arbeitsarmglieder jeweils motorgetrieben ausgebildet sind, so daß von den entsprechenden Steuerarmgliedern lediglich Steuerbefehle für die Betätigung der jeweiligen Antriebsmotore für die einzelnen Arbeitsarmglieder ausgelöst werden müssen.

Bei in dieser Weise ausgebildeten Manipulatoren, wie sie beispielsweise in der FR-PS 15 37 663 oder den US-PS 36 18 786 und 39 04 042 beschrieben sind, treten jedoch häufig dadurch Schwierigkeiten im praktischen Einsatz auf, düß keine feste mechanische Verbindung zwischen Steuerarm und Arbeitsarm mehr besteht und die einfache Steuerverbindung zwischen dem Steuerarm einerseits und dem Arbeitsarm andererseits unterbrochen werden kann. Insbesondere dann, wenn eine solche Unterbrechung der Sleuerverbindung sich über einen längeren Zeitraum erstreckt, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, daß die Stellung des Steuerarmes einerseits und die des Arbeitsarmes andererseits bei Wiederherstellung der Steuerverbindung einander nicht mehr voll entsprechen. Dies aber hat zur Folge, daß die Antriebsmotore für die einzelnen Arbeitsarmgliednr im Augenblick der Wiederherstellung der Steuerverbindung zum Steuerarm sofort und ggf. bei größeren Stellungsabweichungen mit erheblicher Geschwindigkeit anlaufen und Bewegungen der Arbeitsarmglieder auslösen, die mit gefährlich hoher Geschwindigkeit und ohne die Möglichkeit einer Beeinflussung von der Steuerarmseite her ablaufen. Derartige rasche und unkontrollierbare Bewegungen der Arbeitsarmglieder stellen aber eine erhebliche Gefahr einerseits für den Manipulator selbst und andererseits auch für seine Umgebung dar, da sowohl der Arbeitsarm als auch die in seiner Umgebung befindlichen Gegenstände durch zu heftige Arbeitsarmbewegungen beschädigt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Steuerarm der eingangs erwähnten Art in der Weise auszubilden, daß auch bei langer dauernden Unterbrechungen seiner Verbindung mit dem Arbeitsarm des entsprechenden Manipulators sichergestellt ist, daß bei der Wiederherstellung der Steuerverbindung zwischen Steuerarm und Arbeitsarm dessen Glieder auch dann keine unkontrollierbaren und unzulässig raschen Bewegungen ausführen können, wenn ihre Stellung im Augenblick der Wiederherstellung der Steuerverbindung in größerem Umfange von der der entsprechenden Steuerarmglieder abweichen sollte.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß an jedem eine Verstellung eines entsprechenden Gliedes am Arbeitsarm bewirkenden

Glied des Steuerarmes eine Blockiereinrichtung angeordnet ist und daß die Blockiereinrichtungen mit der Vergleichseinrichtung in der Weise gekopoelt sind, daß jede einzelne Blockiereinrichtung bei Erreichen einer Übereinstimmung zwischen der Einstellung des betreffenden Steuerarmgliedes mit der des, entsprechenden Arbeitsarmgliedes aktiviert wird und alle Blockiereinrichtungen erst bei vollständiger Übereinstimmung in der Stellung von Steuerarm und Arbeitsarm wieder freigegeben werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Steuerarmes wird dieser gegen jede Bewegung testgelegt und die Inbetriebnahme der Steuerung verhindert solange die Einstellung des Arbeitsarmes einerseits und des Steuerarmes andererseits nicht hinsichtlich aller Bewegungsmöglichkeiten in Übereinstimmung gebracht sind. Die Herstellung dieser Übereinstimmung erfolgt im allgemeinen Fall durch eine manuelle Verstellung des Steuerarmes und die Ausführung aufeinanderfolgender Bewegungen. Erst wenn eine vollständige Übereinstimmung in der Einstellung des Steuerannes einerseits und des Arbeitsarmes andererseits erreicht ist, werden die verschiedenen Blockiereinrichtungen insgesamt freigegeben, und die Verstellung des Arbeitsarmes vollzieht sich dann unter Steuerung durch den Steuerarm. Unter vollständiger Übereinstimmung ist dabei zu verstehen, daß für jede Bewegungsmöglichkeit der Abstand zwischen der tatsächlichen Stellung eines Armgliedes und derjenigen Stellung dieses Gliedes, die der Stellung des jeweils zugeordneten Armgliedes entspricht, kleiner ist als ein vorgewählter Grenzwert, ab dem bei Inbetriebnahme der Steuerung keine Schäden mehr zu befürchten sind.

Für die bauliche Ausführung der Blockiereinrichtung hat sich ihre Ausbildung als Bremsen mit mechanischer Reibung als am günstigsten erwiesen. Außerdem können in Weiterbildung der Erfindung an den Steuerarmgliedern zusätzlich Bremsen mit Flüssigkeitsreibung vorgesehen sein, die der Bedienungsperson bei der Betätigung der Steuerarme den Eindruck vermitteln, daß sie unmittelbar die Verstellung von Lasten oder Werkzeugen auf der Arbeitsaimseite bewirkt, wodurch ebenfalls die Möglichkeit einer zu raschen Verstellung von Arbeitsarmgliedern ausgeschlossen wird.

Die Kopplung zwischen dem Steuerarm einerseits und dem Arbeitsarm andererseits erfolgt zweckmäßig so, daß bei wenigstens einem Glied des Sieuerarmes eine Schwenkbewegung am Arbeitsarm eine Translationsbewegung des entsprechenden Gliedes auslöst, da die praktische Erfahrung gezeigt hat, daß sich mit derartigen Schwenkbewegungen eine besonders feine Hubeinstellung auch für Translationsbewegungen auf der Arbeitsarmseite erreichen läßt. Weiterhin ist es in Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil, wenn sich die Stellungssignalgeber am Steuerarm in ihrer Wirkung für die Vergleichseinrichtung im Vergleich zu der der Stellungssignalgeber am Arbeitsarm verändern lassen, da sich dann Maßstabsänderungen für die verschiedenen Bewegungen erhalten lassen, was sich wiederum günstig auf die Feinheit der Bewegungssteuerung für den Arbeitsarm auswirkt. Die praktische Realisierung einer solchen Änderungsmöglichkeit für den Einfluß der Stellungssignalgeber am Steuerarm kann zweckmäßig mit Hilfe jeweils einer Addier/Multiplizier-Stufe mit zwei parailelgeschalteten und identischen Potentiometern erreichen, deren Läufer jeweils mit einem Ende eines den jeweiligen Stellungssignalgeber bildenden dritten Potentiometers verbunden und gemeinsam und gleichsinnig oder voneinander unabhängig verschiebbar sind.

Bei einer gleichsinnigen und gemeinsamen Verschiebung der beiden Läufer wird der Spannungsabfall im Stellungssignalgeber verändert, was einer Ursprungsveränderung für die entsprechende Bewegung des Arbeitsarmes entspricht Wird einer der Läufer unabhängig vom anderen verschoben, so wird im Stellungssignalgeber ein Spannungsabfall erzeugt, der einer Meßstabsveränderung für die entsprechende Bewegung des Arbeitsarmes entspricht Wenn einer der Läufer während der Verschiebung des anderen Läufers festgehalten wird, bildet das Ende des mit dem ersten Läii/er verbundenen Potentiometers einen festen Ursprung für die Maßstabsänderung.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele veranschaulicht; es zeigt

Fig. 1 eine Steuervorrichtung für einen Manipulator in einer schematisch gehaltenen Seitenansicht,

F i g. 2 eine Ausführungsvariante für die Steuervorrichtung von Fig. 1,

Fig. 3 eine mehr Einzelheiten enthaltende Ausführungsform für eine solche Steuervorrichtung mit einem Steuerarm gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht,

F i g. 4 einen Teil der Vorrichtung von F i g. 3 in einer Vorderansicht mit geschnittener Darstellung einzelner Teile und

Fig. 5 ein Schaltbild zur Veranschaulichung des elektrischen Aufbaus einer Steuervorrichtung in erfindungsgemäßer Ausführung.

Die Darstellung in F i g. 1 zeigt eine Steuervorrichtung für einen Manipulator mit einer Schalttafel 1 und einem Steuerarm 2. Der Steuerarm 2 weist einen Schaft 3 auf, der in einer Abstützung 3' um seine Längsachse verdrehbar gelagert ist. Am in F i g. 3 rechten Ende des Schaftes 3 ist mit einer senkrecht zu seiner Längsachse verlaufenden Schulterachse 4 ein Oberarm 5 angelenkt, der seinerseits eine zu seiner Längsachse senkrechte und zur Schulterachse 4 parallele E'.lenbogenachse 6 aufweist, über die ein Unterarm 7 angelenkt ist. Der Schaft 3, der Oberarm 5 und der Unterarm 7 liegen in ein und derselben Ebene. An seinem freien Ende trägt der Unterarm 7 ein Handgelenk 8, über das ein Handgriff 9 angelenkt ist.

Auf der Höhe dieses Handgriffes 9 können Bewegungen gemäß den Achsen X, Y, Z definiert werden, wobei einer Bewegung in X-Richtung eine Drehung um die Schulterachse 4 oder eine Drehung der Gesamtanordnung, einer Bewegung in Z-Richtung eine Schulterbewegung und einer Bewegung in K-Richtung eine Ellbogenbewegung entspricht. Der Unterarm 7 und der Handgriff 9 können drei Drehbewegungen ausführen: eine Azimutalbewegung mittels Drehung um die Längsachse des Unterarms 7 gemäß dem Pfeil 10, eine zweite Hubbewegung des Handgriffs gemäß dem Pfeil

11 und eine dritte Rotationsbewegung gemäß dem Pfeil

12 um eine zum Handgriff 9 senkrechte Achse.

Statt des Handgriffs 9 kann ein in F i g. 2 dargestelltes abgeschnittenes Lenkrad 9' am Ende eines Unterarmes 7 vorgesehen werden, das an einem Kniegelenk 8' angelenkt ist und für ein Arbeiten mit beiden Händen günstiger ist.

Selbstverständlich sind die verschiedenen Teile des Steuerarmes 2 mit nicht gezeigten üblichen Gewichtsausgleichseinrichtungen versehen.

F i g. 3 und 4 zeigen eine praktische Ausführungsform gemäß dem angegebenen Grundschema mit dem

einzigen Unterschied, daß eine der Bewegungen des Handgriffs 9 weggelassen ist, nämlich diejenige, die dem Pfeil 12 in Fig. 1 entspricht. In Fig. 3 und 4 sowie in F i g. 1 führen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.

Die verschiedenen Grundbewegungen des Oberarmes 5 und des Unterarmes 7 werden durch Seile und Bänder bis zur Achse des Schafts 3 übertragen, wo zwei gegenläufige Seile 13, 13' über zwei Rollen 14 geführt sind, die an je einer Treibrolle 15 angreifen. Ebenso weist der Schaft 3 seinerseits eine Rolle 16 auf, an der zwei Seile 17 angreifen, die eine Treibrolle 18 antreiben.

Die Treibrolle 18 ist fest verbunden mit einer Bremse

19 mit mechanischer Reibung, mit einer zweiten Bremse

20 mit Flüssigkeitsreibung und mit einem Meßumformer als Stellungssignalgeber, der in Form eines Potentiometers 21 ausgeführt ist. In gleicher Weise ist auch jede andere Treibrolle ebenfalls fest mit einer Bremse mit mechanischer Reibung, mit einer zweiten Bremse mit Flüssigkeitsreibung und mit einem Meßumformer verbunden, die nicht eigens dargestellt sind.

Die Drehbewegung des Handgriffs 9 um die Längsachse des Unterarmes 7 wird über eine Achse 40 übertragen auf eine Bremse 41 mit mechanischer Reibung, auf eine Bremse 42 mit Flüssigkeitsreibung und auf einen Meßumformer 43, die im Körper des Unterarmes 7 angeordnet sind, vgl. Fig.4. Der Handgriff 9 schwenkt außerdem um zwei Drehzapfen 44, 44', die senkrecht zur Achse des Unterarmes 7 ausgerichtet sind, wobei diese Bewegung übertragen wird auf eine Bremse 45 mit mechanischer Reibung, eine Bremse 46 mit Flüssigkeitsreibung und über ein Zwischengetriebe 47 auf einen Meßumformer 48. Diese Teile sind beiderseits des Handgriffs 9 angeordnet.

Da die Anordnung für jede Grundbewegung die gleiche ist, werden im folgenden nur die sich auf eine dieser Grundbewegungen beziehenden Teile beschrieben.

Jede am Handgriff 9 oder am Lenkrad 9' ausgeübte Bewegung überträgt auf alle Meßumformer, wie 21, veränderliche Stellungseingaben, die Steuersollwerte zur Stellungsregelung für die entsprechenden Bewegungen des Arbeitsarmes des Manipulators darstellen.

Da der Steuerarm 2 nicht motorgetrieben ist, ist es von Bedeutung, daß der motorgetriebene Arbeitsarm nach einem Anhalten wieder in Betrieb genommen werden kann, ohne daß ihm eine Rücklaufbewegung übertragen wird. Diese Funktion wird von der Bremse 19 mit mechanischer Reibung übernommen. Diese Bremse 19 wird gesteuert, wenn die Bedienungsperson entscheidet, den Steuerarm 2 mit dem Arbeitsarm

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signal des Potentiometers 21 wird in einer elektronischen Regelschaltung 22 mit dem von einem entsprechenden Potentiometer 21' am Arbeitsarm stammenden Signal verglichen. Die Bedienungsperson verschiebt dann den Steuerarm 2 und wenn die von den Potentiometern 21 und 21' stammenden Spannungen gleich sind, wird über eine Verbindung 23 ein Signal zur elektrisch arbeitenden Bremse 19 geliefert, die daraufhin die Bewegung blockiert Die Bedienungsperson kann dann durch aufeinanderfolgende Grundbewegungen beim Anfahren den Steuerarm 2 in seiner Lage an die tatsächliche Lage des Arbeitsarmes anschließen, wodurch jede Gefahr einer ungeordneten Verstellung des Arbeitsarmes vermieden wird. Bei der Inbetriebnahme der Regelung werden alle Bremsen in derselben Reihenfolge freigegeben, und ihre Blockierung endet in dem Augenblick, in dem die Regelanordnungen in

Betrieb treten.

In Fig. 5 ist eine Addier/Multiplizier-Stufe gezeigt die zusammen mit dem Steuerarm 2 die Steuerung des Hubs für den Arbeitsarm gestattet, der sehr viel gröüei sein kann als der für die Bewegungen des Steuerarrns F i g. 5 zeigt die Vorrichtung für eine einzige Bewegung von Steuerarm 2 und Arbeitsarm. Als Stellungssignalgeber für den Steuerarm wirkt das Potentiometer 21 dessen Läufer sich gemäß den Bewegungen des Steuerarms 2 verschiebt. Die beiden Enden des Widerstands dieses Potentiometers 21 werden übei Folgeverstärker 24 und 25 gespeist, was eine elastische Anpassung der Impedanz gestattet. Die beiden Ender des Potentiometers 21 empfangen ihre Spannung an der Läufern 36 und 37 von zwei identischen Potentiometerr 26 und 27, die unter gleichen Bedingungen von einei nicht dargestellten elektrischen Gleichstromquelle versorgt werden. Da die beiden Potentiometer 26 und 2/ identisch sind, wird bei Ausübung von identischer Verschiebungen an ihren Läufern 36 und 37 dei zwischen ihnen herrschende Spannungsunterschied unc damit der an den Klemmen des Potentiometers 21 konstant gehalten. Demgegenüber verändert sich füi eine gleiche Bewegung des Steuerarms 2 die Spannung am Läufer 31 des Potentiometers 21 in der gleicher Weise und um den gleichen Wert, was folglich eine geradlinige Veränderung der Sollspannung nach sich zieht, die in der Regelschaltung 22 im Hinblick auf ihrer Vergleich mit dem vom Arbeitsarm stammenden Wen am Potentiometer 2Γ angelegt ist. Die Steuervorrichtung arbeitet daher nach Art eines Addierers.

Es kann auch der Läufer eines einzigen der beider Potentiometer 26 und 27 verschoben werden, was zui Folge hat, daß ohne Veränderung einer der Speisespan· nungen des Potentiometers 21 die andere Speisespannung verändert wird. Unter diesen Bedingungen hat sich die dem ganzen Hub des Potentiometers 21 entsprechende Spannung verändert, was eine Multiplizierung der Wirkung der gleichen Winkelverschiebung mil einem konstanten Faktor ergibt, der durch Verschieben der Läufer 36 oder 37 kontinuierlich regelbar ist. Es ist leicht verständlich, daß die Endlagen der gegenüberliegend angeordneten Läufer 36 und 37 dem Gesamthuh des Manipulators entsprechen, d. h. der gesamter Spannungsamplitude der Eingabe am PotentioiTietei 21'.

Im Gegensatz hierzu ergibt die gleichzeitige Verschiebung der beiden in verhältnismäßig konstantengegenseitigem Abstand bleibenden Läufer 36, 37 die gleiche Amplitude beim gewünschten minimalen Maßstab, wodurch bei dem für den Arbeitsarm erforderlichen Gesamthub die vom Steuerarm stammende Sollspannung verstellt wird, was den Ursprung dei Stellungsregelung verändert, die den Steuerarm mil dem Arbeitsarm verbindet, während die andere Arbeitsweise eine Maßstabsänderung darstellt

Bei einer praktischen sehr einfachen Ausführungsform sind die Potentiometer 26 und 27 Seite an Seite angeordnete lineare Potentiometer, wobei ein abnehm barer Steg die Läufer 36 und 37 miteinander verbinder kann. Es gibt so viel Paare von Läufern 36, 37 wie Bewegungen, bei denen man eine Veränderung dei Verstärkung und/oder des Ursprungs vornehmen will.

Eine besonders interessante Anwendung des Steuerarmes nach der vorliegenden Erfindung ist die Steuerung eines programmierten Manipulators, dessen Programm durch Speicherung von Signalen erzielt wird die von einem handbetätigten Steuerorgan ausgehen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mehrgliedriger Steuerarm für die Fernsteuerung eines ebenfalls mehrgiiedrigen und motorgetriebenen Arbeitsarmes eines Manipulators, bei dem die Anzahl der möglichen Bewegungen des Steuerarmes mit der Anzahl der möglichen Bewegungen des Arbeitsarmes übereinstimmt und für die Erfassung der jeweiligen Einstellung der einzelnen Glieder sowohl des Steuerarmes als auch des Arbeitsarmes mit einer gemeinsamen Vergleichseinrichtung gekoppelte Stellungssignalgeber vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem eine Verstellung eines entsprechenden Gliedes am Arbeitsarm bewirkenden Glied (3,5,7,9; 9') des Steuerarmes (2) eine BlockiereinrichtLing (19, 41,45) angeordnet ist und daß die Blockiereinrichtungen mit der Vergleichseinrichtung (22) in der Weise gekoppelt sind, daß jede einzelne Blockiereinrichtung bei Erreichen einer Übereinstimmung zwischen der Einstellung des betreffenden Steuerarmgliedes mit der des entsprechenden Arbeitsarmgliedes aktiviert wird und alle Blockiereinrichtungen erst bei vollständiger Übereinstimmung in der Stellung von Steuerarm und Arbeitsarrn wieder freigegeben werden.

2. Steucrarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiereinrichtungen als Bremsen (19, 41, 45) mit mechanischer Reibung ausgebildet sind.

3. Steuerarm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerarmglieder (3,5, 7,9; 9') zusätzlich mit je einer Bremse (20, 42) mit Flüssigkeitsreibung gekoppelt sind.

4. Steuerarm nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei wenigstens einem Glied (3, 5, 7, 9; 9') des Steuerarmes (2) eine Schwenkbewegung am Arbeitsarm eine Translationsbewegung des entsprechenden Gliedes auslöst.

5. Steuerarm nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungssignalgeber (21) am Steuerarm (2) in ihrer Wirkung für die Vergleichseinrichtung (22) im Vergleich zu der der Stellungssignalgeber (21') am Arbeitsarm veränderbarsind.

6. Steuerarm nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stellungssignalgeber am Steuerarm (2) jeweils eine Addier/Multiplizier-Stufe mit zwei parallelgeschalteten und identischen Potentiometern (26 und 27) vorgesehen ist, deren Läufer (36 bzw. 37) jeweils mit einem Ende eines den jeweiligen Stellungssignalgeber bildenden dritten Potentiometers (21) verbunden und gemeinsam und gleichsinnig oder voneinander unabhängig verschiebbar sind.