DE2628701C2

DE2628701C2 -

Info

Publication number: DE2628701C2
Application number: DE2628701A
Authority: DE
Inventors: George Arthur Yorktown Heights N.Y. Us Folchi; Glenmore Lorraine Carmel N.Y. Us Shelton Jun.; Sherman Sheau-Ming Mohegan Lake N.Y. Us Wang
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-06-25
Publication date: 1990-05-31
Also published as: FR2316589B1; IT1064223B; CA1048811A; GB1489040A; JPS526575A; DE2628701A1; US3948093A; JPS576531B2; FR2316589A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßvorrichtung für mit Greifwerkzeugen ausgestattete Manipulatoren mit im Kraftfluß angeordneten Fühlerelementen mit Dehnungs meßstreifen, deren Signale zur Steuerung des Manipulators dienen.

In letzter Zeit setzen sich durch Computer gesteuerte Manipulatoren zur mechanischen Ausführung von Handhabungen verschiedener Art zunehmend durch. Dabei kommt der Aufgabe besondere Bedeutung zu, die jeweilige Orientierung des von dem Greifer erfaßten Objekts zu bestimmen. Diese Aufgabe ist bisher nur mit sehr komplexen An ordnungen mit vielen beweglichen Teilen gelöst worden, welche schwierig zu warten und zu reparieren sind. Dies gilt insbesondere für solche Fühleranordnungen, die alle sechs Freiheitsgrade erfas sen können, nämlich die Kraftkomponenten in Richtung der drei Hauptachsen wie auch die Momente um diese Achsen. Eine weitere Schwierigkeit der bekannten Systeme dieser Art besteht darin, daß entweder nur bestimmte Kräfte erfaßt werden können, beispiels weise nur Zug- und Druckkräfte, oder andernfalls der Aufbau außer ordentlich kompliziert ist. Dieser komplexe Aufbau und die Funk tionsweise resultieren in einem entsprechend hohen Aufwand zur rechnerischen Ermittlung der gesuchten Kraftkomponenten. Dadurch wiederum wird die Echtzeitverarbeitung der gemessenen Werte schwie rig, weil Prozeßsteuerungsrechner nur eine begrenzte Rechenzeit verfügbar haben.

Die DE-PS 9 57 980 und die US-PS 37 71 359 beschreiben Vorrichtungen zur Messung orthogonaler Kraft- und Drehmomentkomponenten zwischen zwei Systemen, die aus einer Reihenschaltung mehrerer Fühlerelemente mit Dehnungsmeßelementen besteht, wobei jedes Fühlerelement durch seine Ausrichtung einer der Hauptachsen zugeord net ist. Diese Vorrichtungen werden für meßtechnische Aufgaben benutzt, beispielsweise um die Kraftverteilung in Stoßstangen, Steuerrädern, Anhängerkupplungen oder Fahrzeugrädern zu messen. Bei diesen bekannten Vor richtungen werden auch elektrische Brückenschaltungen benutzt, um die Kräfte und Momente in die den Haupt achsen entsprechenden Komponenten zu zerlegen.

Durch die DE-OS 21 61 336 ist eine Sicherheitsvorrich tung für Hebezeuge bekannt, bei der elastische Zwischen glieder mit Dehnungsmeßstreifen in die Greifervorrich tung eingesetzt sind. Die elektrischen Meßsignale von den Dehnungsmeßstreifen werden einem elektrischen Komparator zugeführt, der den Antrieb abschaltet oder eine Bewegungsumkehr auslöst. Die Sicherheitsvorrichtung wird während der Beschleunigung und der Bremsvorgänge durch die Maschinensteuerung unwirksam gemacht. Diese bekannte Sicherheitsvorrichtung ist nicht in der Lage, die Orientierung des von dem Greifer erfaßten Objektes zu bestimmen und die ermittelten Werte zur Steuerung des Greifers auszunutzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln die Orientierung eines vom Greifer erfaßten Objektes zu bestimmen und aus diesen Meßwerten Steuer signale für das Gerät abzuleiten. Gemäß einer Weiterbil dung der Erfindung sollen die in Reihe geschalteten Fühlerelemente in beliebiger Konfiguration zusammensetz bar sein.

Die oben geschilderte Aufgabe wird durch die im Patent anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Der modulare Aufbau der erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtung hat den Vorteil, daß einheitliche Fühlerelemente in unterschiedlicher Kon figuration zusammensetzbar sind, und daß die Anordnung ohne beweg te Teile arbeitet. Die Kraft- und Momentkomponenten aller drei Hauptachsen können mit geringem Rechenaufwand einfach ermittelt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung bietet weiterhin den beson deren Vorteil, daß sämtliche Fühlerelemente einheitlich ausgebil det werden können, so daß die Herstellung und Wartung sowie die Ersatzteilhaltung stark vereinfacht sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen in zwei Aus führungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer 6-Komponen ten-Kraftmeßvorrichtung zwischen den Greiferfingern und dem Antriebsblock eines von einem Computer gesteuerten Manipulators in einer ersten Ausfüh rungsform.

Fig. 2A eine Vorderansicht eines Fühlerelements mit Deh nungsmeßelementen, wie es in der Anordnung nach Fig. 1 verwendet ewird.

Fig. 2B eine Draufsicht auf das Fühlerelement nach Fig. 2A,

Fig. 2C eine Seitenansicht des Fühlerelements nach Fig. 2A,

Fig. 3 eine schematische schaubildliche Darstellung eines Zwischenblocks als Verbindungsteil für die Fühlerelemente,

Fig. 4 eine vergrößerte schaubildliche Ansicht der Kraft meßvorrichtung nach Fig. 1 zur Darstellung der Kräfte- und Momentkomponenten,

Fig. 5 eine Wheatstone-Brücke zur Auswertung der von den Dehnungsmeßelementen eines Fühlerelements abge gebenen Signale und

Fig. 6 eine schematische schaubildliche Ansicht einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten zweiten Ausfüh rungsform einer Kraftmeßvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Kraftmeßvorrichtung besteht aus einem Paar Fühlern 10 mit je sechs Freiheitsgraden, die jeweils zwischen ei nem Finger 12 des Greifers und einem zugehörigen Antriebsblock 14 eines Manipulators angeordnet sind. Beide Antriebsblocks 14, von denen nur der obere gezeigt ist, sind an einer Führungsschiene 15 geführt und befinden sich unter der Steuerung eines Com puters 24. Die vom Computer 24 zugeführten Steuersignale werden Motoren 16, 18 und 20 für die Bewegungsrichtungen Neigen, Drehen bzw. Schwenken zugeführt, in deren Folge die Greiferfinger 12 relativ zum Arm 22 des Manipulators die entsprechenden Bewegungen ausführen. Der dargestellte Greifer kann daher um die drei Hauptachsen Drehbewegungen ausführen, nämlich in Neigungs-, Dreh- und Schwenkrichtung. Jede dieser Richtungen und die zugehörige Dreh achse sind in Fig. 1 gekennzeichnet: Hierfür besteht das Gelenk system aus drei Blocks G₁, G₂ und G₃. Block G₁ wird bezüglich des Armes 22 mittels des Motors 18 gedreht, Block G₂ ist mittels des Motors 20 relativ zum Block G₁ um eine vertikale Achse schwenk bar und Block G₃ wird mittels des Motors 16 in Neigungsrichtung relativ zum Block G₂ um eine horizontale Achse 16 geneigt. Die drei Drehachsen schneiden sich im Zentralpunkt Q. Das Öffnen und Schlie ßen der Greiferfinger 12 erfolgt durch entsprechende Bewe gungen der Antriebsblocks 14 auf der Führungsschiene 15, wozu diese als Zahnstangenantriebe ausgebildet werden können. Der Antrieb für das Schließen und Öffnen der Greiferfinger 12 ist nicht dargestellt.

Wie die Fig. 1, 2A 2B, 2C und 3 zeigen, bestehen die Fühler 10 aus einer Anzahl Fühlerelemente 10 C, 10 D, 10 F, 10 G, 10 H, 10 L, 10 N und 10 P. Die vorgenannten Fühlerelemente sind untereinander identisch, so daß anhand der Fig. 2A, 2B und 2C nur das Füh lerelement 10 F erläutert wird. Wie aus Fig. 2A erkennbar, besteht das Fühlerelement 10 F aus einem Steg 30 mit beiderseits angeformten Flanschteilen 36. Auf den Oberflächen des Steges 30 befindet sich je ein Paar Dehnungsmeßelemente 31, 33 bzw. 32 und 34. in den Flanschteilen 36 befinden sich je zwei Bohrungen 38 zur Befestigung des Fühlerelements an benachbarten Bauteilen, wie noch beschrieben werden wird.

Das Fühlerelement 10 F und seine Dehnungsmeßelemente 31 bis 34 sind infolge ihrer Gestaltung nur empfindlich gegen eine außermit tig in der Richtung der Y-Achse angreifende Kraft F _Y und ein entspre chendes Biegemoment M _Z um die Z-Achse. Die Z-Achse verläuft, wie sich aus den Fig. 2A und 2B ergibt, durch den Zentralpunkt R des Fühlerelements 10 F. Jede auf den zugehörigen Greiferfinger ausgeübte Kraft, die in Richtung der Y-Achse wirksam ist, und jedes Moment, das eine Komponente um die Z-Achse hat, wird somit in ein Drehmoment M _Z und den Zentralpunkt R umgewandelt. In ande re Richtungen wirksame Kräfte oder Momente wirken sich auf die Dehnungsmeßelemente 31 bis 34 nicht aus, und zwar infolge der Kombination einer Vielzahl von Fühlerelementen für die einzelnen Kraft- und Momentrichtungen und der Signalauswertungen in der Wheatstone-Brücke gem. Fig. 5, zu der die Dehnungsmeßelemente 31 bis 34 zusammengeschaltet sind. Die Ausgangsspannung V _R an den Verknüpfungspunkten 35 und 37 der Wheatstone-Brücke (Fig. 5) wird somit ausschließlich durch die Kräfte F _Y und die Momente M _Z bzw. die entsprechenden Komponenten beeinflußt.

Die Gestaltung der einzelnen Fühlerelemente 10 C, 10 D, 10 F usw. und die Lage der Dehnungsmeßelemente 31 bis 34 auf den Oberflächen der Stege 30 ermöglicht eine einfache Ermittlung der Ausgangs spannung des Dehnungsmeßelementsystems in Abhängigkeit von dem wirksamen Moment M _Z. So kann die Ausgangsspannung V _R zwischen den Verknüpfungspunkten 35 und 37 der Wheatstone-Brücke gemäß Fig. 5 durch die folgende Formel dargestellt werden:

wobei bedeuten:

V _R
= erwartete Ausgangsspannung
V _in	= Eingangsspannung = 5 Volt Gleichstrom
G.F.	= Dehnungsmeßfaktor = 155
M _Z	= Max.Moment = 1.043 cmkg
E	= Elastizitätsmodul = 2.2 × 10⁶ bar
b	= Breite des Steges 30 = 1,25 cm
h	= Dicke des Steges 30 = 1,75 cm.

Es ist zu bemerken, daß die oben genannten Zahlenwerte nur Bei spiele zur Verdeutlichung darstellen.

Den in Fig. 1 und 4 dargestellten modularen Aufbau der Fühleran ordnung erhält man durch Zwischenblocks 40, 42, 44, 46, 48 und 50, mit denen die einzelnen Fühlerelemente 10 C, 10 B, 10 F usw. verschraubt sind. Ein solcher Zwischenblock, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, enthält Gewindebohrungen 52, die, zum Zwecke des Verschraubens der Zwischenblocks mit den Fühlerelementen 10, mit den Bohrungen 38 der letzteren fluchten. Die Zwischenblocks 40, 42, 44 usw. enthalten gemäß Fig. 3 weiterhin Eckstücke 54, deren Form derjenigen der Flanschteile 36 der Fühlerelemente 10 angepaßt ist.

Ein Fühlerelement 10 kann somit mittels vier Schrauben fest mit je einem Zwischenblock auf der einen und auf der ande ren Seite verbunden werden, wie in den Fig. 1 und 4 verdeutlicht ist. Die einzelnen Fühlerelemente 10 C, 10 D, 10 F usw. sind wie bereits erwähnt, untereinander identisch, so daß sie im Falle einer Schadhaftigkeit leicht ausgetauscht werden können. Außer dem erlaubt der modulare Aufbau verschiedene Konfigurationen für unterschiedliche Anwendungen.

In Fig. 4 sind die Moment- und Kraftkomponenten in bezug auf einen speziellen Zentralpunkt O für eine Fühleranordnung dargestellt. Jede beliebige an einem Greiferfinger 12 wirksame Kraft kann mit dem dargestellten System in bezug auf den Zentral punkt O ermittelt werden, und zwar durch Aufteilung in die folgen den sechs Komponenten: Kräfte F _X, F_Y, F_Z und Momente M _X, M_Y und M _Z, jeweils bezogen auf den Zentralpunkt O. Dabei wird das auf jedes der Fühlerelemente 10 wirksame Moment über die Dehnungsmeß elemente und die Wheatstone-Brücke gem. Fig. 5 angezeigt. Es seien im folgenden die durch die einzelnen Fühlerelemente ermittel ten Momentwerte M durch deren Indexzeichen gekennzeichnet, wie z. B. die Momente M _D, M_F, M_G, M_H, M_L, M_N und M _P, wie durch die Pfeile in Fig. 4 dargestellt. Jedes dieser Momente kann in Koor dinatenmomente bezüglich X-, Y- und Z-Achse aufgeteilt werden. Durch Einsetzen der Beziehungen zwischen Kräften und Momenten kann jedes der an den Fühlerelementen angreifenden Momente in bezug auf den externen Angriff von Kräften durch die folgenden Gleichungen definiert werden:

wobei bedeuten:

"a" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 10 D, 10 F, 10 L und 10 N von der X-Achse,
"b" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 10 G und 10 H von der X-Achse,
"c" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 10 C von der Y-Achse,
"d" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 10 D und 10 F von der Y-Achse,
"e" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 10 G und 10 H von der Y-Achse,
"f" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 10 L und 10 N von der Y-Achse und
"g" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 10 P von der Y-Achse.

Durch Kombination der Gleichungen (2.1) bis (2.8.) erhält man die folgenden sechs Kraft- und Momentkomponenten in Richtung der bzw. um die X-, Y- und Z-Achse:

F _X = (M _L - M _N)/a (3.1)
F _Y = (M _L + M _N - M _C)/(f-c) (3.2)
F _Z = (M _D - M _F)/a (3.3)
M _X = (M _D + M _F) (3.4)
M _Y = [(M _G + M _H) × g - M _p × e]/(g-e) (3.5)
M _Z = [M _C × f - (M _L + M _N) × c]/(f-c) (3.6)

Zur Ermittlung dieser Kraft- und Momentkomponenten in Richtung der bzw. um die drei Koordinatenachsen sind lediglich neun Multipli kationen durchzuführen. Dies kann vorzugsweise durch den ange schlossenen Computer, gegebenenfalls in Paralleloperationen, aus geführt werden.

In der Alternativausführung nach Fig. 6 sind sechs Fühlerelemente 60 A, 60 B, 60 C, 60 D, 60 E und 60 F durch Zwischenblocks 62, 64, 66, 68 und 70 zu einem System verbunden. Wie in der Anordnung nach Fig. 1 wird auch hier der Antriebsblock 14 durch einen (nicht dargestellten) Antrieb längs der Führungsschiene 15 des Blocks G₃ zur Einstellung des Greiferfingers 12 verstellt. Die auf die einzel nen Fühlerelemente wirksamen Momente M _A, M_B, M_C, M_D, M_E und M _F sind jeweils mit den gleichen Indizes gekennzeichnet wie die zu gehörigen Fühlerelemente 60 A, 60 B usw.

Jede Kraft und jedes Moment, das an einer beliebigen Stelle auf den Greiferfinger 12 wirksam wird, kann in die sechs Kraft- bzw. Moment komponenten F _X, F_Y, F_Z, M_X M_Y und M _Z in bezug auf den Zen tralpunkt P zerlegt werden. Der Zentralpunkt P liegt im Schnitt punkt der Mittelachse des Greiferfingers 12 und der durch die Zentral punkte der Fühlerelemente 60 A und 60 B führenden Achse. Aus den Be ziehungen zwischen den Kräften und Momenten ergeben sich die folgenden Definitionen:

M _A = -F _Y × a + M _X (4.1)
M _B = -F _Y × b + M _X (4.2)
M _C = -F _X × c + M _Z (4.3)
M _D = -F _Y × d + F _Z × e + M _X (4.4)
M _E = F _X × f + M _Y (4.5)
M _F = F _X × g + M _Y (4.6)

wobei bedeuten:

"a" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 10 A vom Punkt P,
"b" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 60 B vom Punkt P,
"c" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 60 C vom Punkt P in Richtung der Y-Achse,
"d" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 60 C und 60 D vom Punkt P in Richtung der Z-Achse,
"e" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 60 D vom Punkt P in Richtung der Y-Achse,
"f" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 60 E vom Punkt P in Richtung der Z-Achse und
"g" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 60 F vom Punkt P in Richtung der Z-Achse.

Durch Kombination der Gleichungen (4.1) bis (4.6) erhält man:

F _X = (M _F - M _E)/(g-f) (5.1)
F _Y = (M _A - M _B)/(b-a) (5.2)
M _X = (-M _B × a + M _A × b)/(b-a) (5.3)
M _Y = (M _F × f - M _E × g)/(f-g) (5.4)
M _Z = M _C + F _X × c (5.5)
F _Z = (M _D + F _Y × d - M _X)/e (5.6)

Während sich die vorgenannten Beispiele auf ein Fühlersystem mit sechs Freiheitsgraden erstrecken, können selbstverständlich auch Systeme mit weniger, z. B. drei oder vier Freiheitsgraden aus einer entsprechend geringeren Anzahl von Fühlerelementen gebildet werden, wenn die zu ermittelnden Kräfte ausschließlich in Rich tung und in bezug auf die Achsen einer Ebene auftreten.

Claims

1. Kraftmeßvorrichtung für mit Greifwerkzeugen ausgestattete Manipulatoren mit im Kraftfluß angeordneten Fühlerelementen mit Dehnungsmeßstreifen, deren Signale zur Steuerung des Manipulators dienen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Greiferfinger (12) und dem Greiferantrieb (14) mehrere hintereinander angeordnete modular ausgebildete und in ihrer Ausrichtung den Hauptachsen (X, Y, Z) zugeordnete Fühlerelemente (10 C-10 P, 60 A-60 F) vorgesehen sind.

2. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerelemente (10 C-10 P, 60 A-60 F) aus einem als dünne Platte ausgebildeten Steg (10) und beiderseits desselben symmetrisch angeordneten Flanschteilen (36) bestehen, wobei auf den beiderseitigen Ebenen des Steges (30) je zwei Dehnungsmeßelemente (31-34) befestigt sind und die Flanschteile (36) mit Bohrungen (38) oder ähnlichen Aussparungen zur Auf nahme von lösbaren Verbindungselementen versehen sind.

3. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerelemente (10 C-10 P, 60 A-60 F) einheitlich ausgebildet sind.

4. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur orthogonalen Verbindung der Fühlerelemente 10 C-10 P, 60 A-60 F) untereinander, zu deren Flanschteilen (36) passende, einheitlich ausgebildete Zwischenblöcke (40, 42, 44, 46, 48 50) vorgesehen sind.

5. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Anspüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschteile (36) der Fühlerelemente (10 C-10 P, 60 A-60 F), die Zwischen blöcke (40, 42, 44, 46, 48, 50), der Antrieb (14) und die Greiferfinger (12) mit sich entsprechenden Bohrungen (38, 52) zum lösbaren Verbinden versehen sind.

6. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßelemente (31-34) an eine Wheatstone-Brücke (Fig. 5) angeschlossen sind.