DE2845438A1

DE2845438A1 - Schaltung zur uebertragung von elektrischer energie an einem roboter

Info

Publication number: DE2845438A1
Application number: DE19782845438
Authority: DE
Inventors: Jean Chabrol
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 1977-10-19
Filing date: 1978-10-19
Publication date: 1979-04-26
Also published as: GB2006476B; FR2406503A1; GB2006476A; US4223313A

Description

REGIE NATIONALE DES USINES RENAULT, 8-10 Avenue Emile Zola, 92109 Boulogne-Billancourt, Frankreich

Schaltung zur Übertragung von elektrischer Energie an einem Roboter

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Übertragung von elektrischer Energie an einem Roboter bis zu einer freien Extremität, die einen eine Wechselspannung bestimmter Frequenz erzeugenden Generator enthält und in der Höhe der Schwenkachse der Extremität des Roboters eine gleichförmige elektrische Energie liefert.

Bei einem Greifroboter weist die das endseitige Greifwerkzeug tragende Welle ein Betätigungsglied oder mehrere Betätigungsglieder auf, die aus einer Hand oder einer Zange bestehen, die sich unter Steuerung durch einen Rechner oder aufgrund einer örtlichen Steuerung schließt. Demgemäß ergibt sich die Notwendigkeit, sich einer Energiequelle zu bedienen, die einige 100 Watt in' Gestalt einer elektrischen Gleichspannung liefern kann. Nun weist ein Arm eines Roboters zwischen den ver— schiedenen Achsen mehrere Gelenke auf₍und einige von diesen Gelenken sind solche, bei denen der Drehwinkel zwischen den beiden Achsen 360° überschreitet, was

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aus Gründen der Annehmlichkeit der Bewegungen und der Schnelligkeit ihrer Ausführung geschieht.

Aus dem Vorstehenden folgt, daß die Leitungskabel für die elektrische Energie, die zu dem Ende des Armes führen, eine große Nachgiebigkeit aufweisen müssen und insbesondere im Bereich jedes Gelenkes ausreichend weich sein müssen. Trotz solcher Vorkehrungen kann es jedoch immer zu einer Beschädigung der Kabel an den betreffenden Stellen kommen, insbesondere wenn der Roboter zu Lehrzwecken verwendet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, der Achse an der Extremität des Roboters und ebenfalls den vorhergehenden Achsen, wenn notwendig, eine gleichförmige elektrische Energie durch andere Mittel als durch Kabel zuzuführen. Diese Aufgabe wird gelös^ indem gemäß der Erfindung die Schaltung solche Schaltmittel enthält,daß die elektrische Energie mindestens eines der Gelenke des Roboters ohne Leitung oder Kontakte frei überbrückt, derart, daß das Betätigungsglied der Extremität auch bei Drehungen um mehr als 360 vollkommen mit elektrischer Energie versorgt bleibt.

Vorteilhaft weisen die tiberbrückungsschaltmittel in der Höhe der Drehgelenke einen ringförmigen Aufbau auf.

Gemäß einem eräten Ausführungsbeispiel bestehen die überbrückungsschaltmittel in der Höhe jedes Drehgelenkes aus einem Transformator mit zwei Wicklungen τ

von denen jede in einen Ferritkern eingelegt ist und die um eine gemeinsame Achse X-X in£arallelen

Ebenen verdrehbar sind.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die überbrückungsschaltmittel in der Höhe jedes Drehgelenks aus zwei gleichachsig angeordneten Kondensatoren,. von denen jeder zwei Beläge aufweist, die gegenüberliegend und in einem Abstand voneinander angeordnet sind, dessen Größe sich durch das dazwischenliegende Luftdielektrikum bestimmt.

Gemäß weiterer Erfindung ist eine Schaltung der eingangsgenannten Art, die für einen Roboter bestimmt ist, der durch einen Rechner gesteuert wird, in der Lage, von dem Rechner ausgehende Fernsteuersignale dem Ende des Betätigungsgliedes des Roboters zuzuleiten, indem ein Fernsteuersignale erzeugender Generator vorgesehen ist, der die Frequenz des die Wechselspannung erzeugenden Generators moduliert, während der auf dem Betätigungsorgan angeordnete Transformator eine Gleichspannung liefert und ihm eine zusätzliche Sekundärwicklung zugeordnet ist, an die ein Empfänger für die modulierte Frequenz angeschlossen ist.

Zweckmäßig ist weiterhin, bei der vorgenannten Schaltung, an dem das Betätigungsglied aufweisenden Ende des Roboters ein Telemetriesender angeschlossen, der mit einer Frequenz F sendet, die größer ist als die Frequenz des di'e Wechselspannung erzeugenden Generators, während an dem entgegengesetzten Ende des Stromkreises zur Übertragung der elektrischen Energie im Nebenschluß zu dem die Wechselspannung erzeugenden Generator ein Empfänger für die Fernmeßsignale vorgesehen ist.

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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Einzelheit der Schaltung gemäß Fig. 1, in der Höhe II-II, die einem Gelenk der Fig.1 entspricht, das in einer durch die Achse X-X hindurchgehende Ebene geschnitten ist,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 ein Gelenk des Roboters,in einem senkrechten Schnitt, gemäß der Linie IV-IV der Fig. 3 und

Fig. 5 das zweite Ausführungsbeispiel der Schaltung gemäß der Erfindung in seiner vollständigen schematischen Darstellung.

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Gemäß Fig. 1 enthält der Stromkreis für die übertragung der elektrischen Energie für das Betätigungsglied 10 der Extremität des Roboters einen Generator 12, der einen Wechselstrom mit der Frequenz f erzeugt. Diese Wechselschwingung kann von einem Fernsteuersignale erzeugenden Generator 13 um /\ f moduliert werden. Am Ende des Stromkreises, der demjenigen ,der den Generator 12 enthält, gegenüberliegt, befindet sich ein Transformator 21, der die Adaption des Stromkreises an seine Last ermöglicht. Der Transformator 21 ist auf dem Betätigungsglied 10 des Roboters angeordnet. Die zur Einspeisung der Ladungen erforderliche Gleichspannung V findet sich an den Klemmen einer zentralen Sekundärwicklung 30 des Anpassungstransformators 21. Die Spannung an den Klemmen dieser Sekundärwicklung wird mit Hilfe von Dioden 35 und 36 gleichgerichtet und die Gleichspannung V ist an den Klemmen eines Kondensators 37 verfügbar, der zwischen einer der Leitungen 38 der Sekundärwicklung 30 und einem Mittelabgriff 39 angeordnet ist. Der Extremitatentransformator 21 weist noch zwei weitere Sekundärwicklungen 31 und 32 auf. Mit der Sekundärwicklung 31 ist über ein mit einem Kondensator 24 in Reihe geschaltetes L C -Glied 23 ein Fernsteuersignalempfänger 22 verbunden. Mit der Sekundärwicklung 32 steht ein Telemetriesender 25 in Verbindung, der eine Frequenz F sendet, die größer ist als die Frequenz f, die von dem Generator 12 erzeugt wird. Der Telemetriesender 25 ist mit der Sekundärwicklung 32 über ein L C -Glied 2 7 und ein mit diesem in Reihe liegenden Kondensator 28 verbunden. Der Verkleinerung der elektronischen Bauteile ., die man nunmehr erreicht hat, bringt es mit sich, daß die elektronischen Stromkreise, die an die drei Sekundärwicklungen 30, 31 und 32 angeschlossen sind, nur ein sehr kleines Volumen und ein ganz geringes Gewicht aufweisen, im Vergleich zu

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dem Volumen und dem Gewicht des Betätigungsgliedes» und daß sie daher leicht untergebracht werden können.

Mit Hilfe eines Transformators, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, ist es möglich, mindestens ein Gelenk 17 und/oder 18 des Roboters zu überbrücken. Jeder der Gelenktransformatoren 17 und 18 besteht aus zwei Wicklungen 33 und 34, von denen jede in einem Ferritkern 43 bzw. 44 angeordnet ist. Die Ebene des durch diese gemäß Fig. 2 hindurchgelegten Schnitts enthält die Gelenkachse X-X. Jede der Anordnungen 43, 33 und 44, 34 ,d.h. Ferritkern plus Wicklung, sind um die Achse X-X drehbar, wie auch die beiden Teile 10 und 11 des Roboters, die das Gelenk darstellen. Die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen 33 und 34 kommt über den Luftspalt zwischen den beiden Ferritkernen 43 und 44 zustande. Da der magnetische Widerstand in dem Luftspalt kleiner ist als derjenige, der in dem zentralen Metallkern 40 zustandekommt, ist diese Kopplung wirkungsvoll, und die Leistung eines derartigen Transformators ist annehmbar im Hinblick auf die Größenordnung der zu übertragenden Energie. Zudem ist diese Leistung in gewissem Maße weniger empfindlich gegenüber plötzlichen Veränderungen der Größe des Luftspalts.

Gemäß Fig. 1 ist der Generator 12 mit der Frequenz f mit der Primärwicklung des Gelenktransformators 17 verbunden, und zwar über die Reihenschaltung eines Kondensators 15 und eines L C-Gliedes 16. Parallel zu der Primärwicklung des Gelenktransformators 17 liegt gleichfalls ein Fernmeßsignalempfanger 14\ der mit ihr über eine Induktanz 20 und ein mit dieser in Reihe geschaltetes L C-Glied 19 verbunden ist und auf die Frequenz F anspricht. Der Fernmeßsignalempfanger 14 kommt in Verbindung mit dem Telemetriesender 25 zur Wirkung.

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Der vorstehende Stromkreis ermöglicht übertragung von Fernsteuersignalen für das Endbetätigungsglied von dem Generator 13 an den Empfänger 22, wobei die Frequenz des Generators 12 von dem Fernsteuersignal moduliert wird. Dieser elektrische Stromkreis, der in Fig. 1 in seiner vollständigsten Gestaltung dargestellt ist, ermöglicht gleichzeitig die Übertragung von Energie,von Fernsteuersignalen und von Fernmeßsignalen in der umgekehrten Richtung von dem Sender 25 zu dem Empfänger 14.

Bezüglich der Filterelemente ist folgendes festzustellen:

Die Anordnung 15, 16 und auch 23, 24 stellt eine unendlich große Impedanz für die Signale der Frequenz F dar und eine Impedanz 0 für die Signale der Frequenz f. Die Anordnung 19, 20 und auch die Anordnung 27, 28 stellt eine unendlich große Impedanz für die Signale der Frequenz f und eine Impedanz 0 für die Signale der Frequenz F dar.

Es ist oben ausgeführt worden, daß die Frequenz F größer gewählt wird als die Frequenz .f.Die Sekundärwicklung 30 des Extremitätentransformators 21 ,die durch den Gleichstrom belastet ist, stellt keine Belastung für den Telemetriesender 25 dar, umsomehr als die Gleichspannung V eine größere Amplitude hat

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als die Spannung des Telemetriesenders 25 multipliziert mit dem Verhältnis der Windungszahlen der Sekundärwicklungen 30 und 32, denn unter diesen Bedingungen sind die Dioden 35 und 36 nichtleitend. Die Gesamtenergie der Frequenz F wird demgemäß auf den Telemtrie— empfänger 14 übertragen. Um ein genaues Beispiel anzu-

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geben, ist das Gelenk 18 z.B. dasjenige,das die Handwurzel 11 eines Roboters mit seinem Greifinstrument 10 verbindet, während das Gelenk 17 dasjenige ist, das die Handwurzel mit dem Unterarm des Roboters verbindet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 sind die Transformatoren T₁.-.T_x. der Figuren 1 und 2, die

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einen Durchgang durch die Gelenke 17 und 18 ohne Kontakt ermöglichen, durch Kondensatoren 50 und 51 für das Gelenk 18 und durch Kondensatoren 56 und 57 für das Gelenk 17 ersetzt. In Fig. 4 ist die gleichachsige Anordnung der Beläge 52 und 54 der Kondensatoren 50 und 51 des Gelenkes 18 dargestellt, die an dem Teil des Roboters befestigt sind, der das Greifinstrument 10 trägt. Gegenüber den Belägen 52 und 54 der Kondensatoren 50 und 51 befinden sich zwei weitere Beläge 53 und 55, die von den Erstgenannten einen Abstand e besitzen, so daß ein Luftdielektrikum zustandekommt. Vorzugsweise werden die Kapazitäten 50 und 51 derart gewählt, daß sie die gleiche Größe besitzen. In der Höhe des Gelenks 17 vollzieht sich der Durchgang ebenfalls durch Vermitt-· lung von zwei Kondensatoren 56 und 57, deren Beläge sich gegenüberstehende Ringflächen aufweisen und in der Höhe des Gelenkes an jedem der betreffenden Teile des Roboters fest angeordnet sind. Diese Teile bestehen im vorliegenden Fall z.B. aus der Handwurzel und dem Unterarm des Roboters , zwischen denen das Gelenk 17 angeordnet ist. Der Generator 12 ist mit den Kondensatoren 56 und 57 über zwei Induktivitäten 58 und 59 gleicher Größe verbunden, was den Zweck hat, Serienresonanzen zu erzeugen, die dazu bestimmt sind, die

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Blindwiderstände zu kompensieren, die durch die Gesamtkapazität der in Reihe geschalteten Kondensatoren 50 und 56 erzeugt werden.

Der Stromkreis gemäß Fig. 3 ermöglicht es, dem Betätigungsglied Fernsteuersignale zu übermitteln, indem ein Frequenzmodulationsempfänger 22 an eine Spezialwicklung 31 des Transformators 21 angeschlossen wird, wie das oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden ist.

Der vorgenannte Stromkreis , der in seiner vollständigsten Gestaltung in Fig. 5 wiedergegeben ist, ermöglicht es ebenfalls, Fernmeßsignale mit Hilfe eines TeIemetriesenders 25 zu übertragen, der mit einer Frequenz F sendet, die wesentlich größer ist als die Frequenz f, die von dem Generator 12 erzeugt wird, während an dem entgegengesetzten Ende des Stromkreises zur Übertragung der elektrischen Energie im Nebenschluß zu dem Generator 12 ein Telemetrieempfanger 14 vorgesehen ist, der auf die Frequenz F abgestimmt ist. Bezüglich der erforderlichen Filterelemente ist folgendes festzustellen:

Das L/C Resonanzglied 16 stellt eine Impedanz unendlicher Größe für die Signale der Frequenz F dar und kombiniert mit der Kapazität 50 oder 51 eine Impedanz 0 für die Signale der Frtequenz f _h Das LC-Resonanzglied·61, das mit der Induktivität 62 verbunden ist, oder auch das LC Resonanzglied 63, das mit der Induktivität 64 verbunden ist, stellt eine Impedanz unendlicher Größe für die Signale der Frequenz f und eine Impedanz 0 für die Signale der Frequenz F dar. Die Primärwicklung 29 des Transformators 21 stellt eine sehr große Impedanz

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für die Signale der Frequenz F dar.

Um die Abstrahlung der Signale der Frequenzen f und F zu vermeiden, ist in der Höhe jedes Gelenkes eine Abschirmung vorgesehen.

Bei der folgenden Berechnung wird von der Gleichheit der wirksamen Flächen der Kondensatoren 50 und 51 ausgegangen, für die man die folgenden Größen für die Durchmesser der Kreise annimmt, welche die Beläge der Kondensatoren begrenzen (Fig. 4):

d = 170 mm d +Δα = 111,25 mm D = 216,25 mm D + Δϋ = 280 mm

Unter Zugrundelegung der vorstehenden Abmessungen kommt man bei einem Luftspalt von 1 mm dazu, daß die Größe jeder Kapazität etwa 100 Pikofarad beträgt und bei einer Frequenz f = 40 KHz leitet man hieraus die Größe der Induktivitäten: L _{= 1(χ) ffl Henry f}„_{r fc} aufeinanderfolgende Gelenke ab.

Die Kondensatoren können gemäß der Technik der gedruckten Schaltungen hergestellt sein, d.h. jeder der Beläge in den Fig. 3 und 4,z.B. die Beläge 52 oder 54,besteht aus einem sehr dünnen Kupferkranz, der auf einer geeigneten Unterlage angeordnet ist.

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Leerseite

Claims

Palenian*älte Dipl.-lng. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Rüger

7300 Esslingen (Neckar), Webergasse 3, Postfach

1 R nV+TihiaY· 1Q7R Telefon

lö. UKXODer |y/ö Stuttgart (0711) 356539

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rΆ Jt Haue Telex 07 256610 smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Patentansprüche

Ö Schaltung zur Übertragung von elektrischer Energie an einem Roboter bis zu einer freien Extremität, die einen eine Wechselspannung bestimmter Frequenz erzeugenden Generator enthält und in der Höhe der Schwenkachse der Extremität des Roboters eine gleichförmige elektrische Energie liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung solche Schaltmittel enthält, daß die elektrische Energie mindestens eines der Gelenke des Roboters ohne Leitung cder Kontakte frei überbrückt, derart, daß das Betätigungsglied der Extremität auch bei Drehungen um mehr als 360 vollkommen mit elektrischer Energie versorgt bleibt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die überbrückungsschaltmittel in der Höhe der Drehgelenke des Roboters einen ringförmigen Aufbau

. aufweisen.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die überbrückungsschaltmittel in der Höhe jedes Drehgelenkes aus einem Transformator mit zwei Wicklungen (33, 34) bestehen, von denen jede in einen Ferritkern (43 bzw. 44) eingelegt ist und die um eine gemeinsame Achse X-X in parallelen Ebenen verdrehbar sind.

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4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückungsschaltmittel in der Höhe jedes Drehgelenks durch einen Satz von zwei gleichachsig angeordneten Kondensatoren (50, 51) gebildet werden, von denen jeder zwei Beläge (52, 53; 54, 55) aufweist, die gegenüberliegend und in einem Abstand voneinander angeordnet sind, dessen Größe sich durch das dazwischenliegende Luftdielektrikum bestimmt.
5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen Roboter mit einem ihn steuernden Rechner, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Rechner ausgehende Fernsteuersignale dem Ende des Betätigungsgliedes des Roboters zuleitbar sind, indem an dem einen Ende des Roboters ein Fernsteuersignafe erzeugender Generator (13) vorgesehen ist, der die Frequenz der Wechselspannung des Generators (12) moduliert, während der auf dem Betätigungsglied des Roboters angeordnete Transformator (21) eine Gleichspannung liefert und diesem eine erste zusätzliche Sekundärwicklung (31) zugeordnet ist, an die ein Fernsteuersignalempfänger (22) angeschlossen ist.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem das Betätigungsglied aufweisenden Ende des Roboters ein Te_§lemetriesender (25) angeschlossen ist, der mit einer Frequenz F sendet, die größer ist als die Frequenz des die Wechselspannung erzeugenden Generators, während an dem entgegengesetzten Ende des Stromkreises zur Übertragung der elektrischen Energie im Nebenschluß zu dem die Wechselspannung erzeugenden Generator (12) ein Empfänger (14) für die Fernmeßsignale vorgesehen· ist.

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