DE2600957A1

DE2600957A1 - Fortlaufend programmierbarer manipulator

Info

Publication number: DE2600957A1
Application number: DE19762600957
Authority: DE
Inventors: Andre Bourgeois; Mouee Theodore Le; Paul Marchal; Olivier De St-Albin; Claude Tellier; Jean Vertut
Original assignee: BRETAGNE ATEL CHANTIERS
Current assignee: BRETAGNE ATEL CHANTIERS
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1976-01-13
Publication date: 1976-07-22
Also published as: FR2297697B1; FR2297697A1; SE7600495L

Description

12.Januar 1976
PW/Ar

Societe Anonyme dite:

Ateliers et Chantiers de

Bretagne-AGB

Prairie-au-Duc

44200 Nantes (Loire-Atlantique)

Frankreich

Fortlaufend programmierbarer Manipulator.

Die Erfindung bezieht sich auf einen fortlaufend programmierbaren Manipulator.

Seit langem sind Geräte bekannt, durch die gewisse Arbeitsgänge nach Massgabe eines zuvor erstellten Programmes selbsttätig ausgeführt werden können.

Man hat zahlreiche Wege vorgeschlagen, auf .denen solche Progaramierungen verkörpert werden könne?·.., z.B. die Erteilung von Steuerbefehlen durch Steuerkurven oder durch gelochte Bänder oder die punktweise Erteilung von elektronischen Steuerbefehlen. In den Fällen, in denen die durch das Gerät auszuführenden Arbeitsgänge notwendig machen, dass nicht nur die Lagen eines Werkzeugs an bestimmten kritischen Stellen eingesteuert werden, sondern ausserdem die Geschwindigkeiten und die Verbindungsbahnen zwischen diesen Stellen gesteuert werden müssen, sind die vorgenannten

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Steuerungsarten entweder zu kostspielig oder nicht ausreichend. Ein typischer Fall ist der, dass fiiessfähige oder pastenartige Stoffe auf eine Oberfläche aufgetragen werden sollen, z.B. das Aufspritzen eines Gemischs aus Kunstharz und Glasfasern auf eine Form zur Herstellung eines Gegenstandes gewünschter Gestalt. Es ist ersichtlich, dass in diesem Fall das Ergebnis des Arbeit?-

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ganges unterschiedlich ausfällt, wenn/Spritzpistole so gesteuert wird, dass sie von Stelle zu Stelle mit- einzelnen Sprühstrahlen arbeitet, wie es gewöhnlich bei Programmierung mittels eines gelochten Bandes der Fall ist, oder wenn sie durch einzelne Steuerpunkte gesteuert wird oder wenn sie durch Steuerkurven gesteuert wird, die nicht mit genügender Genauigkeit hergestellt oder bearbeitet sind.

OU beste Art der Programmsteuerung scheint die als fortlaufend bezeichnete Programmierung, bei der eine Anzahl von kritischen Punkten vorgesehen ist, die das Werkzeug erst dann verlässt, wenn die Steuervorrichtung festgestellt hat, dass das Werkzeug die Punkte erreicht hat(wie bei einer Steuerung durch Punkte), wobei zwischen diesen kritischen Punkten die Geschwindigkeit und die Verbindungsbahn entweder absolut fortlaufend oder mindestens mit einer solchen Frequenz gesteuert werden, dass unter · Berücksichtigung der auftretenden Trägheitskräfte die Abweichungen hinsichtlich der Geschwindigkeiten und der Verbindungsbahnen des Programmes vernachlässigbar klein werden.

Es ist ausserdem zu beachten, dass, wenn die zu bespritzende Oberfläche eine komplizierte Form hat, es sehr schwierig und kostspielig ist, im Konstruktionsbüro die Bewegungen der Spritzpistole zu reproduzieren, wenn diese von einer Bedienungsperson betätigt wird, die mit grosser Handfertigkeit arbeitet.

Man hat eine Lösung dieser Aufgabe für den Spezialfall eines zum Aufsprühen von Farbe mittels einer Spritzpistole dienenden Spritzgerätes wie folgt vorgeschlagen: Man zeichnet die Bewegungen der Spritzpistole, die direkt von einer Bedienungsperson betätigt wird, auf und verwendet diese Aufzeichnung als Programm

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für spätere Arbeitsgänge, die eine Wiederholung des ersten Ar-"beitsganges sind.

Zu diesem Zweck wird die Spritzpistole an einem gelenkig gehaltenen Träger angebracht, der mit Gliedern versehen ist, die die Position der Spritzpistole angeben. Die von diesen Gliedern abgegebenen Signale werden fortlaufend aufgezeichnet, während die Spritzpistole durch die Bedienungsperson von Hand betätigt wird. Diese Aufzeichnungen werden dann in eine Steuervorrichtung eingebracht, wobei jedes von einem der Positionsanzeigeglieder abgegebene und aufgezeichnete Signal zu einem Steuersignal für ein Antriebsglied wird, das die gleiche Bewegung reproduziert.

Dieses System bildet jedoch nur eine partielle Lösung der Aufgabe; denn es ist nur auf ein Werkzeug geringer Masse anwendbar, das von Hand betätigt werden kann. Ausserdem müssen die Stellungen des Rahmens des Geräts und des mit Farbe zu versehenden Gegen-· Standes relativ zueinander fest bleiben, wodurch sich hinsichtlich der Masse und der Amplitude der Verschiebungen des Werkzeugs Begrenzungen ergeben.

Ein anderer Mangel des vorgenannten Systems besteht darin, dass es dann nicht anwendbar ist, wenn die Bedienungsperson keine Möglichkeit hat, das Werkzeug direkt zu steuern, z.B. wenn der Arbeitsgang in einem Raum durchzuführen ist, in welchem die Arbeit gefährlich oder beschwerlich ist (Halle für Malerarbeiten, radioaktive Umgebung bei erhöhter Temperatur), oder wenn der Raum zu überfüllt ist, so dass die Bedienungsperson nicht zutreten kann.

Die Aufgabe, für die die Erfindung eine Lösung erbringt, besteht also darin, eine fortlaufend programmierbare Manipulation zu schaffen, deren Programm mit Hilfe einer menschlichen Bedienungsperson erstellt wird, die unter ihrer direkten Kontrolle eine vorläufige reelle Operation oder einen vorläufigen Arbeitsgang, steuert, wobei das Ausführen dieses Programms von Bedingungen des

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verfügbaren Raumes, von Gewichten und von Bedingungen der Umgebung nicht abhängig ist.

Soweit dem Erfinder bekannt ist, ist noch kein Manipulator beschrieben worden, der- alle die vorgenannten Eigenschaften besitzt, von denen einige einander zu widersprechen scheinen.

Unter dem Namen "Tele-Manipulatoren" bzw. "Fernsteuergeräten" sind Geräte bekannt, die es erlauben, ohms Behinderung durch einengende Bedingungen des Raumes, der Gewichte und der Umgebung zu arbeiten. Manche dieser Geräte werden durch Hebel und/oder handgesteuerte Knöpfe gesteuert und erscheinen günstig für eine programmierte Steuerung durch ein gelochtes Band oder durch Steuerpunkte. Diese Geräte sind aber schlecht mit den Anforderungen vereinbar, die bei kontinuierlicher Programmierung und dann auftreten, wenn man sich auf die Geschicklichkeit einer Bedienungsperson verlassen muss.-

Andere Ausführungsformen von Manipulatoren, die in der Öffentlichkeit wegen ihres spektakulären Charakters bekannt geworden sind, sehen vor, dass die Bewegungen der Hand einer Bedienungsperson reproduziert werden, welche das Werkzeug durch ein Fenster oder durch Fernsehübertragung dirigiert. Man könnte an eine Lösung des oben gestellten Erfindungsproblems denken, bei der ein Tele-Manipulator der letztgenannten Art und ein programmierbares Gerät zum Aufspritzen eines Anstrichs, wie es weiter oben genannt ist, zusammengesetzt werden, wobei entweder das programmierbare Gerät in den Arbeitsraum eingebracht und mit dem Tele-Manipulator betätigt wird, oder wobei das programmierbare Gerät ausserhalb des Arbeitsraumes und die Spritzpistole auf dem gesteuerten Arm des Tele-Manipulators angebracht wird und an dem programmierbaren Gerät durch das Steuerorgan des gleichen Tele-Manipulators ersetzt wird. Solche Lösungen, bei denen zwei empfindliche und komplizierte Geräte verwendet und betätigt werden müssen, würden wenig wirtschaftlich sein und würden ausserdem die Aufgabe nicht lösen, in verhältnismässig grossen Räumen zu arbeiten. Solche

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Aggregate sind nach Kenntnis des Erfinders bisher nicht vorgeschlagen worden.

Es ist also ersichtlich, dass man eine Maschine, die das Erfindungsproblem löst, entgegen der ersten Vermutung nicht durch Zusammensetzung von zwei für sich "bekannten Geräten herstellen kann, nämlich eines fortlaufend programmierbaren Manipulators, dessen Programm ausgehend von einem reellen vorläufigen, von Hand durchgeführten Arbeitsgang aufgezeichnet wird, mit einem Tele-Manipulator, der mit Fernsteuerung die Handbewegungen reproduziert. Es ist vielmehr notwendig, eine neue Apparatekonstruktion zu schaffen, die aus einer neuartigen Kombination verschiedener Bauelemente besteht.

Das erfindungsgemässe Gerät umfasst ein von Hand durch eino Bedienungsperson (eine menschliche Person) betätigbares Steuerorgan, ein gesteuertes, betätigtes Manipulieforgan und ein Organ zur Aufzeichnung und zur Wiedergabe von Programmen, wobei diese drei Organe über elektrische oder elektronische Mittel derart miteinander in Verbindung stehen, die so vorgesehen sind, dass die von dem Steuerorgan ausgesandten Signale in Form eines Programms aufgezeichnet werden können, dass ferner die gleichen

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Signale auf das gesteuerte Manipulierorgan übertragerfund an diesem auszuführende Bewegungsabläufe hervorrufen können, und dass die bei der Wiedergabe der Programme ausgesandten Signale auf das Manipulierorgan übertragen werden und an diesem auszuführende Bewegungsabläufe hervorrufen können.

Vorzugsweise besteht das Steuerorgan aus einem angelenkten Steuerarm oder einer sog."Syntax-Steuervorrichtung" (syntaxeur), der bzw. die die gleiche Anzahl von Bewegungsschritten ausführt wie das gesteuerte Manipulierorgan; jeder der Bewegungsschritte dieses Manipulierorgans wird durch einen entsprechenden Bewegungsschritt der Syntax-Steuervorrichtung mittels einer von der Lage abhängigen Steuerung gesteuert, wobei die beiden Organe so zusammenwirken, dass sie einander ähnliche Bewegungen aus-

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führen und wobei -edes Programm eine Anzahl von voneinander unterschiedenen Aufzeichnungen enthält, die der Anzahl der Bewegungsschritte der Synta>>Steuervorrichtung und des gesteuerten Manipulierorgans gleich sind.

Die Aufzeichnungen jedes der Programme können auf ein und demselben Magnetband entweder auf voneinander getrennten Spuren oder aufeinanderfolgend erfolgen.

Vorzugsweise werden zu diesem Zweck die durch das Steuerorgan abgegebenen Signale, die aufgezeichnet werden sollen, in Form von digitalen Informationen oder zahlenmässigen Informationen aufgezeichnet. Bei einer praktischen einfachen Ausführungsform steuert die Lage der Syntaxr-Steuervorrichtung (Bewegungsablaufgeber) die Ausgangsspannung einer Anzahl von Potentiometern. Die von diesen abgegebene Spannung wird einem Analog-Digital-Wandler zugeleitet, der zwischen die Syntax-Steuervorrichtung und die Aufzeichnungsvorrichtung der Programme eingeschaltet ist.

Eine interessante Eigenschaft des erfindungsgemässen Geräts besteht darin, dass es sehr leicht erlaubt, wahlweise die MaßstabverhäÜnisse zwischen den Bewegungen des Syntax-Steuerarms ' und denjenigen des gesteuerten Manipulierorgans zu ändern. Auf diese Weise kann man in irgendeiner Weise die Steuerbewegungen einer Bedienungsperson reproduzieren, die ihre Hand dem arbeitenden äussersten Ende eines Werkzeugs nähert oder von diesem entfernt, je nach dem, ob sie eine grössere Genauigkeit oder eine grössere Geschwindigkeit wünscht. Die Aufgabe, Arbeitsgänge über grosse Volumen oder Räume auszuführen und dennoch zu vermeiden, dass man zu grosse Vergrösserungskoeffizienten für die Bewegungen der Syntax-Steuervorrichtung hat, wodurch die Arbeitsgenauigkeit verringert würde, wird auf die nachstehende Art und Weise gelöst, die sich alsyeinfach erweist; man kann nämlich den vom Manipulatororgan zu überstreichenden Raum in eine Anzahl von im voraus gewählte Zonen aufteilen, von denen

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jede einem wesentlichen Teil des Raumes entspricht, der von der Syntax-Steuervorrichtung überstrichen bzw. erfasst werden kann, und man kann ferner durch eine elektrische Änderung des Koordinatenursprungs das Manipulierorgan von einer Zone zur anderen übergehen lassen.

Um die Arbeit der Bedienungsperson zu erleichtern, kann man es möglich machen, dass die X, Y -Bewegungen der Syntax-Steuervorrichtung entweder Bewegungen X¹, Y¹ des manipulierten Organs oder mittels elektrischer Vertauschung der Koordinaten Bewegungen Y¹, X^f des manipulierten Organs entsprechen. Aus dem nachstehenden praktischen Ausführungsbeispiel ergibt sich der Vorteil dieser elektrischen Koordinatenänderung.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemässen Geräts besteht darin, dass von den bei der Wiedergabe der Programme abgegebenen und auf das Manipulatororgan übertragenen Signalen mindestens diejenigen Signale, die sich auf eine Bewegung beziehen, den Koeffizienten -1 erhalten können wodurch die Möglichkeit gegeben ist, Werkstücke oder Werkstückteile zu behandeln, deren Form symmetrisch zur Form derjenigen Werkstücke ist, für die das Programm vorgesehen ist.

Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen anhand von zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen erläutert, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung des Gesamtgeräts in einer besonderen Ausführungsform;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Geräts nach Fig. 1, wobei der elektrische Schaltschrank und das Steuerorgan weggelassen sind;

Fig. 3 eine Ansicht des Steuerarmes der Syntax-Steuervorrichtung (d.h. des Bewegungsablaufgebers);

Fig. 4 einen Teilschnitt des Steuerarmes nach Fig. 3 in Vorderansicht;

Fig. 5 ein theoretisches Schema des Geräts nach Fig. 1;

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Fig. 6 ein theoretisches Schema der Arbeitsweise des Manipulators in einem Raum von grossen Abmessungen;

Fig. 7 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform des Manipulators , und

Fig. 8 schaubildlich und schematisch eine Ansicht der zugehörigen Syntax-Steuervorrichtung.

Die erste Ausführungsform der Erfindung weist ortsfeste Schienen 1 auf, die eine bewegliche Brückenkonstruktion 2 tragen, auf der verschiebbar ein Schlitten 3 angeordnet ist, der einen Teleskoparm 4 trägt. Die auf di3£S Weise gegebenen Bewegungsmöglichkeiten in drei Richtungen erlauben, das Ende 5 des Teleskoparmes zu jedem Punkt des in der Zeichnung dargestellten Parallelepipedons zu verschieben. Beispielsweise sind die Abmessungen 5 Bieter entlang den Schienen, 3 Meter entlang der Bahn des Schlittens und 1 Metar für die Bahn des Teleskoprohres. Das Ende 5 des Teleskoparmes besitzt eine Kappe, die das Werkzeug 6 trägt, das hier mit zwei Freiheitsgraden der Bewegung versehen ist, nämlich eine . Rotationsbewegung um die Achse des Teleskoparmes 4 und eine Schwenkbewegung um die horizontale Achse 7 der Kappe. Das hier dargestellte Werkzeug 6 dient zum Aufspritzen von Glasfasern und Kunstharz, die nach Maßgabe des vorgegebenen Programmes auf Formen aufgebracht werden sollen. Diese Aufbringung erlaubt die industrielle Herstellung von Formstücken, indem man Formen mit grossen Abmessungen verwendet. Eine solche Form 8 ist als auf dem Boden liegend dargestellt. Der Manipulator besitzt einen Kabelstrang 9, der an den Schienen 1 entlangläuft, und einen weiteren Kabels'trang 10, der sich entlang der Brückenkonstruktion erstreckt; diese beiden Kabelstränge verbinden die hydraulischen Organe einerseits mit der zentralen Hydraulik 11, die auf dem Rahmen des Geräts angebracht ist, und andererseits mittels Kabeln 12 mit den Organen eines elektrischen Schaltschrankes 13 und der Syntax-Steuervorrichtung 15. Ein magnetisches Aufzeichnungsgerät 14 im elektrischen Schaltschrank 13 liefert die Daten für die Steuerung der Lage; diese Signale steuern nach elektronischer Verarbeitung das öffnen der Servoventile, die im Bereich der verschiedenen Antriebsorgane oder Antriebs-

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- 9 motoren bzw. in deren Höhe angebracht sind (s. Fig. 3).

Nur als Beispiel sei erwähnt, dass die maximal mögliche Geschwindigkeit für die gesamte Masse der Brückenkonstruktion, die etwa 1000 kg beträgt, für den Schlitten und für das Teleskoprohr einschliesslich Spritzgerät 1m/sec beträgt, wobei die Beschleunigung 2,5 g ist, so dass man an der Form 8 Durchgänge bzw. Arbeitsgänge ausführen kann, deren Geschwindigkeit der üblichen Geschwindigkeit einer mit Hand arbeitenden Bedienungsperson entspricht. Dasselbe gilt für die Bewegung des Schlittens auf der Brückenkonstruktion; im Hinblick auf ihre im Verhältnis zur Brückenkonstruktion geringe Masse kann die Bewegung des Teleskoprohres gegebenenfalls mit grösserer Beschleunigung und grösserer Geschwindigkeit ausgeführt werden.

Das Gerät 14 zum Aufzeichnen und Lesen erlaubt unendlich viele Wiederholungen bei der Herstellung von Werkstücken 8 in Serie; das Gerät besitzt eine leicht auswechselbare Kassette, so dass die Werkstücke 8 geändert oder ausgewechselt werden können, indem man lediglich die mit der Aufzeichnung versehene Kassette auswechselt.

Die Aufzeichnung am Gerät 14 wird mit Hilfe des gesamten Steuergeräts bzw. Syntax-Steuergeräts 15 bewirkt, das einen Arm 16 aufweist, d.er in einem Handgriff 17 endet.

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Man könnte den Steuerarm 16 nach den Regeln der Kartesischert-""" des Manipulators ausführen; indessen besteht eine der Eigenschaf ten der erfindungsgemässen Ausführungsform des Armes 16 darin, dass er gelenkig angeschlossen ist. Diese Ausführung ist im einzelnen in Fig. 3 und 4 dargestellt. Der angelenkte Arm besitzt eine Gesamtdrehachse 18, die hier horizontal verläuft, und am Ende dieser Achse befindet sich ein Gelenk 19, dessen Achse senkrecht zur Achse 18 verläuft. Um die Achse 19 ist ein Arm 20 schwenkbar. Am anderen Ende des Armes 20 ist eine Achse 21 eines Kniegelenks parallel zur Achse 19 vorgesehen. Um diese

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Achse kann ein Vorarm 22 schwenken, der senkrecht zur Achse des Armes 20 steht. Am freien Ende des Vorarmes 22 ist ein Handgriff 17 angebracht, der von einem Kardangelenk getragen wird. Dieses Kardangelenk wird von einem ersten Kreisstück 23 gebildet, das dafür eingerichtet ist, um die Achse des Vorarmes 22 eine Rotationsbewegung auszuführen, wie sie durch den Pfeil 24 angezeigt ist. Das grosse Kreisstück trägt Drehzapfen 25, die eine zum Vorarm 22 senkrechte Achse verkörpern, um welche ein kleineres Kreisstück 26 schwenken kann, in&em der Handgriff 17 befestigt ist. Auf diese Weise kann dieser Handgriff eine Schwenkbewegung ausführen, wie sie durch den Pfeil 27 dargestellt ist. Diese vorgenannten Winkelbewegungen 24 und 27 entsprechen unmittelbar den Schwenkbewegungen der Achsen der Teile 4 und 7 des Spritzgerätes 6, die durch den Manipulatorarm getragen werden. Weitere Bewegungen sind die folgenden: Die Schwenkbewegung um die Achse 18, die durch den Pfeil 28 in der Höhe des Handgriffs 17 dargestellt ist, entspricht der Translationsbewegung entlang den Schienen 1. Die Schwenkbewegung, die sich aus den Bewegungen um die Kniegelenkachse 21 ergibt und mit dem Pfeil 29 veranschaulicht ist, entspricht den Bewegungen des Schliii<MS entlang den Schienen der Brückenkonstruktion 2. Die Schulterbewegung des Armes um die Achse 19, die durch den Pfeil 30 veranschaulicht ist, entspricht den Teleskopbewegungen des Armes 4. Es ist somit ersichtlich, dass die räumliche Entsprechung zwischen den dem Arm der Syntax-Steuervorrichtung gegebenen Bewegungen und den durchi die Lagesteuerung durch den Arm des Manipulators bewirkten Bewegungen ein Ähnlichkeitsverhältnis ist, aber keine Gleichheit, und dass man diese Umformung als eine Wiedergabe in Kurvenform kennzeichnen kann.

Versuchsergebnisse zeigen, dass diese Verformung des Raumes, der sich die Bedienungsperson anpassen muss, um kombinierte komplexe Bewegungen auszuführen, in Wirklichkeit keine Schwierigkeit bereitet, denn die Bedienungsperson, die sozusagen ihre eigentliche Hand verliert, folgt dem diese Bewegungen ausführenden Organ, das die Spritzpistole 6 ist, mit dem Auge. Es ist festzustellen, dass die Bedienungsperson ohne Lehrzeit sehr schnell die gute

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Koordinierung der Bewegungen durchführt. Dies zeigt die ergonomischen (ergonomiques) Eigenschaften eines solchen Systems, das für die Ausführung der komplexen kombinierten Bewegungen durch ein einziges Organ gesteuert wird.

Die Ausführung der Translationsbewegung des Geräts entlang den Schienen 1 an dem eigentlichen Manipulator wird mit Hilfe eines hydraulischen Drehmotors 31 bewerkstelligt, der durch ein Servoventil 32 gesteuert wird, das in unmittelbarer Nähe des Motors angeordnet ist und von der zentralen Hydraulik 11 aus mit Drucköl gespeist wird. Ein Zwischengetriebe 33 treibt über mit Zahnrädern versehene Wellen 34 zwei Ketten 35 entlang den Schienen 1 an. Die oberen Trume dieser Ketten greifen an dem einen und dem anderen Ende der Brückenkonstruktion 2 an, die auf diese Weise, da sie mit der die Ketten verbindenden Welle verbunden ist, ganz genau parallel zu sich selbst verscho ben wird. Die Bewegungen des Schlittens 3 werden in gleicher Weise mit Hilfe eines hydraulischen Motors 36 bewirkt, der von dem Schlitten getragen wird und in unmittelbarer Nähe des Motors ein hydraulisches Servoventil aufweist. Die verschiedenen elektrischen Kabel und die unter Hochdruck stehenden Rohre oder Schläuche, welche die vorgenannten Organe speisen, verlaufen in Richtung der Kabelbündel, die in Fig. 1 bei 9 und 10 dargestellt sind. Der Teleskoparm 4 wird sowohl in Längsrichtung als auch in Drehrichtung bewegt. Er besitzt eine konzentrische Welle, die durch ihr Ende 39 dargestellt ist, und trägt an ihrem unteren Ende eine Kappe 5, wodurch die Drehbewegung dieser Kappe um eine vertikale Achse gesteuert wird. Diese Steuerung wird durch eine drehbare Schraubenwinde 40 bewerkstelligt, die cdt einem Übersetzungsgetriebe zusammenarbeitet. Fig. 1 ieigt schematisch dieses Hebeorgan, das wie ersichtlich an dem Teleskoprohr 4 angreift. Die Schraubenwinde besitzt gleichfalls «in Servoventil und ein Kabel für ihren Antrieb. Die gabelförmige Kappe 5 besitzt ebenfalls eine drehbare Schraubenwinde, die direkt an der Schwenkachse 7 der Spritzpistole 6 sitzt und einen Drehwinkel von 120° herbeiführen, kann, der für die Ausübung der Funktionen ausreicht, die von der Spritzpistole verlangt werden. Es ist ersichtlich, dass das Ende

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des Armes 4 die die Kappe 5 tragende Welle 39 aufweist und dass die Schwenkwelle 7 der Spritzpistole senkrecht zur Achse des Armes 4 verläuft. Die eigentliche Spritzpistole hat die durch ihre Funktion bedingte Eigenschaft, ein flaches Materialband oder Materialtuch auszuspritzen. Die von Hand gesteuerte Arbeit der Spritzpistole besteht darin, mehrere zueinander senkrechte

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aufeinanderfolgende Durchgänge der Spritzpistole/bewirken. Unter diesen Bedingungen würde eine Einstellung der Spritzpistole, bei der die Ebene des ausgespritzten Bandes entlang der Achse 7 verläuft, vertikale Durchgänge erlaubt, während es für die horizontalen Durchgänge notwendig wäre, die Achse der Spritzpistole in eine senkrecht zur Achse 7 verlaufende Stellung zu verschwenken. Eine Eigenschaft der Erfindung besteht darin, dass das ausgespritzte Band der Spritzpistole auf einen Winkel von 45° zur Achse 7 eingestellt wird, wodurch die Ausführung sowohl horizontaler Durchgänge als auch vertikaler Durchgänge möglich ist, ohne die Richtung der Spritzpistole zu verändern.

Fig. 5 erläutert das Prinzip der Programmsteuerung und der Lesung des Programms. Als Beispiel sei für diese Erläuterung die Bewegung des Schlittens 3 auf derBrückenkonstruktion 2 gewählt, die hierdurch die Schwenkbewegung des Vorarmes 22 um die Kniegelenkachse 21 der Syntax-Steuervorrichtung steuert, und zwar durch Einwirken der Bedienungsperson auf den Handgriff 17 der Syntax-Steuervorrichtung. Der Schlitten 3 verschiebt sich auf der Schiene der Brückenkonstruktion 2 aufgrund des Antriebs durch den Motor'36, der durch sein Servoventil, das mit der gleichen Ziffer bezeichnet ist, in Gang gesetzt wird. Die Position des Schlittens wird durch einen Positionsgeber 43 wiedergegeben. Die Position des Kniegelenks der Syntax-Steuervorrichtung um die Achse 21 wird durch ein Potentiometer 44 wiedergegeben. Die vom Positionsgeber 43 kommenden Signale gehen durch einen Phasenschieber 45 hindurch; dann werden die vom Positionsgeber 43 und vom Potentiometer 44 kommenden Analog-Signale in einer elektronischen Steuervorrichtung 46 behandelt, die über

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eine Leitung 47 den Strom in dem Elektroventil 36 steuert, das seinerseits den Motor 36 steuert. Der vorstehend beschriebene Stromkreis erlaubt eine entsprechende Bewegung direkt zu steuern.

Um die Aufzeichnung im Gerät 14 zu bewirken, wird die Ausgangsspannung des Potentiometers 44 in einem Analog-Digitalwandler

48 umgewandelt, der die digitale Information an das Aufzeichnungsgerät 14 liefert. Bei einer praktischen Ausführungsform findet jede Bewegung eine Entsprechung in je einer unabhängigen Spur des Aufzeichnungsgeräts. Statt dessen kann man auch mit einem Multiplexsystem arbeiten. Die Aufzeichnung der digitalen Information erfolgt durch Abfragen (echantillonnage), das hier 50mal pro Sekunde wiederholt wird. Beim Lesen wird das Ausgangssignal

49 des magnetischen Aufzeichnungsgeräts durch einen Digital-Analogwandler 50 umgewandelt und ir den Eingang 51 der elektronischen Steuervorrichtung anstelle der bei der Aufzeichnung direkt vom Potentiometer 44 kommenden Signale eingeführt. Das Schema der Fig. 5 lässt sich leicht auf alle Bewegungen der Syntax-Steuervorrichtung und des programmierten Manipulators anwenden. Jedoch eignet sich die Anlage wegen der grossen Abmessung der Schienen 1 und der Brückenkonstruktion 2 schlecht für eine Programmierung der Längsverschiebungen im Maßstab 1:1. Aus diesem Grunde muss man eine zonenweise Programmierung vorsehen, bei der die Syntax-Steuervorrichtung Grössen liefert, deren Abmessungen verschiebbar oder vergrösserbar sind, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Durch Vergrösserung des Maßstabes, der von dem Manipulator in Bezug auf die Verschiebung der Bedienungsperson von Hand bei der Programmierung angewendet wird, kann man das gesamte für die Spritzpistole zugängliche Volumen erfassen. Diese ^aßnahme bringt jedoch zwei Übelstände mit sich: Der erste Übelstand besteht darin, dass für die Handbewegungen der Bedienungsperson eine erhöhte Genauigkeit verlangt wird, so dass diese nicht mehr mit der üblichen Beschleunigung und den üblichen Geschwindigkeiten, sondern mit verringertem Maßstab arbeitet. Der zweite und wichtigere Übelstand besteht darin, dass die Bedienungsperson beim Programmieren die Arbeit der Spritzpistole 6 an derForm nicht mehr von einem Blickpunkt aus

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visuell verfolgen kann, ohne einen zu grossen Abstand zu haben und ohne den Blickwinkel zu verändern. Aus diesem Grund gibt die Erfindung der Bedienungsperson die Möglichkeit, nach Zonen fortschreitend zu arbeiten. In Fig· 6 ist schematisch ein von dem Manipulator erfasstes Feld dargestellt, wenn der Manipulator Bewegungen entlang den Längsschienen 1 und entlang der Brückenkonstruktion 2 ausführt. Diese beiden Grundkoordinaten X und Y wurden in Zonen aufgeteilt, die durch die Quadrate A, B, C, D, E, F dargestellt sind. In der Darstellung arbeitet die Spritzpistole 6 in der Zone B und wird von der Bedienungsperson mit Hilfe der Syntax-Steuervorrichtung 15 gesteuert, wobei die Bedienungsperson freie Sicht auf die zugehörige Form 8 hat. Dein Quadrat B entspricht für die gegebene Position der Syntax-Steuervorrichtung 15 ein Kurvenlinienquadrat b, das vom Handgriff 17 durchlaufen wird. Wie man aus Fig. 6 erkennt, ist der Maßstab des Quadrats b kleiner als derjenige des Quadrats B. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform hat das vom Arm der Syntax-Steuervorrichtung durchfahrene Volumen eine Grosse von etwa 0,1 m . Das entsprechende Volumen eines der Quadrate A, B, C beträgt 1 nr, das einem linearen Vergrösserungskoeffizienten in der Grössenordnung von 2 entspricht. Dieser Koeffizient kann wie ersichtlich nach Wunsch geändert werden. Wenn die Spritz- . pistole an der Grenze des Quadrates B ankommt, hält die Bedienungsperson vorübergehend die Programmierung auf. Zu diesem Zweck unterbricht $j« einen Durchgang, wenn dieser ausserhalb des Werkstücks oder der Form endet. Wenn die Spritzpistole in die Zone C gelangt, kann die Bedienungsperson die Syntax-Steuervorrichtung an die Stelle 15' verschieben; es ist ersichtlich, dass der Block der Syntax-Steuervorrichtung selbst in dieser Stellung bei 15' dargestellt ist, und zwar in einer Richtung, die senkrecht zu der in Fig. 6 bei 15 gezeigte!Richtung verläuft. Das entsprechende Quadrat c wird dann durch eine Vertauschung der Koordinaten X, Y bestimmt; diese Vertauschung entspricht, wenn man sich auf Fig. 3 bezieht, einer Vertauschung der Bewegung der Achse 18 (Pfeilrichtung 28) und der Bewegung der Achse 21 des Kniegelenks (Pfeilrichtung 29). Diese Vertauschungsmöglichkeit bildet eine interessante Eigenschaft der

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Erfindung hinsichtlich der Syntax-Steuervorrichtung, an der man auf diese. Weise die Koordinaten vertauschen kann und andererseits Änderungen des Koordinatenursprungs durchführen kann, -vie es in Fig. 6 durch die Quadrate A, B, C ... dargestellt ist. Die Änderung des Koordinatenursprungs wird durch Anwendung einer Additionsvorrichtung am Ausgang des Potentiometers 44 (siehe Fig. 5) bewerkstelligt. Die Änderung der Koordinaten wird durch elektrische Vertauschung der entsprechenden Potentiometer-Ausgangssignale bewirkt.

In Fig. 6 ist bei 15 " der Fall dargestellt, dass die Bedienungsperson die Aufspritzunß für ein grosses Werkstück mit durchlaufender Oberfläche bewerkstelligen will, die sich über die vier Quadrate A, B, D, E erstrecken kann. In diesem Fall bewirkt man mittel*-, einer Multiplikatorvorrichtung am Ausgang der Syntax-Steuervorrichtung eine derartige Vervielfachung des Maßstabs, dass das Kurvenlinien entsprechende Steuerquadrat a, b, d, e der Syntax-Steuervorrichtung mit Hilfe der Spritzpistole die Deckfläche (couverture) der entsprechenden Quadrate erfasst. Es handelt sich in diesem Fall um eine letzte und wichtige Eigenschaft des erfindungsgemässen Programmierungsverfahrens, die darin besteht, auf einfache Weise eine Veränderung des Koordinatenursprungs und des Maßstabs bei Wiederholungen der Bewegungen bzw. Positionsveränderungen ausgehend vom Steuerhandgriff der Syntax-Steuervorrichtung zu ermöglichen.

In Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform eines Gerätes zu programmierter erfindungsgemässer Manipulation dargestellt, bei dem eine Geometrie in zylindrischen Polarkoordinaten zugrunde gelegt ist. In diesem Fall ist der oben genannte Teleskoparm 4, der in einer Kappe 5 und mit einem Endwerkzeug 6 endet, in waagrechter Lage angeordnet. Der Schlitten 3 ist in diesem Fall gleitend auf einer vertikalen Säule 2 so verschiebbar, dass er in keinem Fall seine Richtung ändert. Ein mit 1 bezeichnetes Richfeerät erteilt dem Gesamtgerät eine Schwenkbewegung um eine vertikale Achse, wie es mit dem Pfeil 1A angedeutet ist. Der Sockel 11 des Gesamtgeräts enthält die zentrale Hydraulik und

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die zugehörigen Teile sowie die Vorrichtungen, die die Ausführung der Bewegungen des Teils 1 und der Bewegung des Teils 2 bewirken, wie es schematisch dargestellt ist.

In Fig. 8 ist das Schema der Syntax-Steuervorrichtung dargestellt, die der letztgenannten Ausführungsform des programmierten Manipulators entspricht. Die Syntax-Steuervorrichtung hat einen Sockel 15, an welchem der Arm 16 derart befestigt ist, dass die Schwenkachse 18 des Gesamtgeräts vertikal verläuft und dass die dem Pfeil 28 entsprechende Bewegung den Schwenkbewegungen entspricht, die am Manipulator durch den Pfeil 1A dargestellt sind. Die v/eiteren Bewegungen ergeben sich in leicht ersichtlicher Weise. Die Schulterachse 19 erlaubt dem Arm 20 des Arms der Syntax-Steuervorrichtung eine Schwenkbewegung. Dem beschriebenen Kreisbogen entspricht eine geradlinige Teleskopbewegung des Armes 4 im Block des Schlittens 3 (Fig. 7). Die Achse 21 des Kniegelenks schafft die Beweglichkeit des Vorarms 22, der mit dem Handgriff 17 endet. Die Bewegung um das Kniegelenk,, die durch den Pfeil 29 angedeutet ist, entspricht Bewegungen des Schlittens 3 entlang der Säule 2. Bewegungen des Handgriffs 17,

die nicht im einzelnen aufgeführt sind, entsprechen den Beweib
gungen der Kappe 'oder der Zange 6 oder irgendeines Endwerkzeugs,

das beim Arm 4 des 'Manipulators angebracht ist.

Aus Fig. 6 und 8 ist zu ersehen, dass in gleicher Weise wie es oben für geradlinige Koordinaten beschrieben ist, auch die der Geometrie der Gelenke des Syntax-Steuerarmes nach Fig. 8 entsprechenden zylindrischen Polarkoordinaten ohne weiteres den kurvenlinienförmigen oder geradlinigen Bewegungen dieses Manipulatorarmes entsprechen.

In den Zeichnungen ist ein Werkzeug dargestellt, das zum Aufspritzen von Farbe oder von Kunstharz dient. Es ist ersichtlich, dass der Manipulator ebenso gut in an sich bekannter Weise mit einem beliebigen anderen Werkzeug ausgerüstet sein könnte, z.B. mit einer in der Richtung verstellbaren Zange.

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Claims

Ateliers et Chantiers ...

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PW/Ar

Patent- bzw. Schutzansprüche

M .J Fortlaufend programmierbarer Manipulator, bei dem das Programm durch Einwirkung einer Bedienungsperson eingegeben werden kann, die von Hand einen reellen vorläufigen Arbeitsgang unter ihrer unmittelbaren Kontrolle einsteuert, wobei der Manipulator ein durch die Bedienungsperson von Hand betätigbares Steuerorgan, ein gesteuertes Manipulierorgan und ein Organ zur Aufzeichnung und zur Wiedergabe der Programme besitzt,

dadurch gekennzeichnet, dass die drei vorgenannten Organe (15; 4, 5 >14) über elektrische oder elektronische Mittel miteinander in Verbindung stehen, die so vergesehen sind, dass die von dem Steuerorgan (15) ausgesandten Signale in Form eines Programmes aufgezeichnet werden können, dass ferner d^e gleichen Signale auf das gesteuerte Manipulierorgan (4;) übertragen werden und an diesem auszuführende Bewegungsabläufe hervorrufen können, und dass die bei der Wiedergabe der Programme ausgesandten Signale auf das Manipulierorgan übertragen werden und an diesem auszuführende Bewegungsabläufe hervorrufen können.
2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan aus einem angelenkten Steuerarm (16) oder einer sogenannten Syntax-Steuervorrichtung (15) besteht, der bzw. die die gleiche Anzahl von Bewegungsmöglichkeiten hat wie das betätigte Manipulierorgan (4), dass die beiden Organe so zusammenwirken, dass sie einander ähnliche und entsprechende Bewegungen ausführen, und dass jedes der Programme eine Anzahl voneinander unterschiedener Aufzeichnungen enthält, die der Anzahl der Bewegungsmöglichkeiten der Syntax-Steuervorrichtung oder des betätigten Manipulierorgans gleich ist.

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3. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Programme auf einem Magnetband (14) entweder auf getrennten Spuren oder aufeinanderfolgend aufgezeichnet sind.
4. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die vom Steuerorgan (15) abgegebenen und im Aufzeichnungsgerät (14) aufzuzeichnenden Signale die Form digitaler Informationen haben.
5. Manipulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung der Syntax-Steuervorrichtung (15) oder des Steuerarmes (15) die Ausgangsspannung einer gewissen Anzahl von Potentiometern steuert und deren Ausgangsspannung einem Analog-Digitalwandler zugeleitet wird, der zwischen der Syntax-Steuervorrichtung und der Aufzeichnungsvorrichtung (14) der Programme liegt.
6. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass der Raum, den das Manipulierorgan (4,5) durchfahren kann, in mehrere im voraus gewählteZonen (A bis E) unterteilbar ist, von denen jede einem beträchtlichen Teil · des Raumes entspricht, den die Syntax-Steuervorrichtung (15) erfassen kann, und dass das Manipulierorgan dadurch von einer Zone zu einer anderen überführbar ist, dass der Koordinatenursprung elektrisch verändert wird.
7. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er Kommutierungsorgane zur elektrischen Vertauschung der Koordinaten aufweist, wobei diese wahl v/eise entweder den X, Y-Bewegungen der Syntax-Steuervorrichtung oder den X¹, Y ^l-Bewegungen des manipulierten Organes (6) oder den Y¹, X · -Bewegungen des manipulierten Organes entsprechen.
8. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Wiedergabe des Programmes ausgesandten Signale nach einer Vergrösserung mit Vergrösse-

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rungskoeffizienten, die von den bei der Aufzeichnung der-Programms verwendeten Koeffizienten verschieden sind, auf das Manipulierorgan (4^ übertragbar sind, wobei insbesondere mindestens die einer Bewegung zugeordneten Signale mit dem Koeffizienten -1 ausgesandt und Werkstücke oder Werkstückteile behandelt bzw. bearbeitet werden können, deren Form zu derjenigen symmetrisch ist, für die das Programm aufgezeichnet wurde.

Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Aufspritzun/ einer Schicht von fliessfähigen Massen auf Gegenstände, mit einer vom Manipulierorgan getragenen Spritzdüse und mit Vorrichtungen zur Speisung der Spritzdüse, die eine längliche Öffnung aufweist, wobei das Manipulierorgan und die Syntax-Steuervorrichtung je drei Bewegungsarten, durch ^r'±e die räumliche Lage der Düse bestimmt wird, und je zwei Bewegungsarten ausführen, durch die die Richtung der Achse der Düse bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ei if: Spritzdüse (6) mit der Horizontalen einen Winkel von ^5° bildet, so dass der Spritzvorgang davon unabhängig ίεΐ, ob die Arbeitsbewegung in vertikaler oder in horizontaler Richtung verläuft.

Patentanwalt:

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