DE3107925C2

DE3107925C2 - Mechanisch/elektrischer Wandler mit sechs Freiheitsgraden

Info

Publication number: DE3107925C2
Application number: DE3107925A
Authority: DE
Inventors: Osvaldo Torino Salvatore; Giorgio Venturello
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 1980-03-07
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1983-07-21
Also published as: GB2072345B; JPS56139891A; IT1129409B; IT8067359A0; US4369663A; SU1082337A3; GB2072345A; DE3107925A1; FR2477707B1; FR2477707A1

Abstract

Ein Wandler mit sechs Freiheitsgraden dient dazu, Kräfte und Drehmomente, die auf ein bewegbares Teil, speziell einen bewegbaren Arm eines Roboters einwirken, in elektrische Signale umzuwandeln. Der Wandler umfaßt einen zylindrischen Körper (3), der mit dem bewegbaren Teil (2) zu verbinden ist und dessen Seitenfläche zwei im axialen Abstand angeordnete Abschnitte aufweist, von denen jeder mit vier im gleichen Winkelabstand angeordneten Metallplatten (12) ausgestattet ist. Ein zylindrisches Gehäuse (4) ist nachgiebig oder federnd um den Körper (3) abgestützt oder gehaltert und ist an seiner Innenfläche mit zwei im wesentlichen halb-zylinderförmigen Metallplatten (32) ausgestattet, die den Platten (12) des Körpers (3) derart gegenüberliegen, daß zwischen diesen Teilen ein schmaler Zwischenraum gebildet wird und acht Kondensatoren gebildet werden, deren Kapazitätswerte von den relativen Lagen der Platten (32) des Gehäuses (4) zu den Platten (12) des Körpers (3) abhängig sind. Ferner sind Detektorvorrichtungen an die Platten (12) des Körpers (3) und den Platten des Gehäuses (4) angeschlossen, um den Kapazitätswert jedes Kondensators zu messen und um auf der Grundlage dieser Meßung elektrische Signale zu erzeugen, welche die das bewegbare Teil beeinflussenden Kräfte und Momente wiedergeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß Industrieroboter Maschinen bedienen und hierzu wenigstens einen Arm mit einem oder mit mehreren Freiheitsgraden (Bewegungsfreiheitsgraden) aufweisen, wobei dieser Arm mit Hilfe einer geeigneten »Hand« viele verschiedene Operationen durchführen kann, selbst wenn sie schwierig oder gefährlich sind oder für Menschen ungeeignet sind, da sie sich sehr häufig wiederholen.

Die Hand des Roboters kann je nach Bedarf aus Zangen, einer Schweißelektrode, einer Farbsprühpistole usw. bestehen.

Der Roboter muß »Lernoperationen« ausführen können (während welcher eine zentrale Steuereinheit des Roboters einen bestimmten, durch den Raum verlaufenden Bahnverlauf bzw. Bewegungsablauf lernt, um ihn dann anschließend wiederholen zu können) und zwar durch dynamischen Gebrauch des Roboters, ohne dabei auf langwierige und komplizierte statische »Punkt um Punkt« Lernprozesse zurückgreifen zu müssen. so Auch soll der Arm des Roboters dabei nicht durch einen leichten Ersatzarm ersetzt werden, d. h. durch einen Arm. der lediglich an Positionswandier, jedoch nicht an Motoren angeschlossen ist.

Darüber hinaus muß der Rotor gegenüber mechanics sehen Spannungen und Reaktionskräften empfindlich sein, die im Zuge seiner Arbeitsbewegungen auftreten. Er muß also ein empfindliches »Handgelenk« haben, welches nicht nur die erforderlichen Bewegungskräfte

für die Werkstücke übertragen kann, sondern auch die Reaktionskräfte feststellen kann, die auf die von der »Hand« gehaltenen Werkstücke einwirken und von der Konstruktion ausgeübt werden, auf der die Werkstücke angeordnet werden sollen.

Dieses empfindliche »Handgelenk« muß nicht nur die genannten Reaktionskrafte erfassen können, sondern muß auch elektrische Signale erzeugen, mittels der die Motoren des Roboters zum Zwecke der Optimierung seiner Bewegung gesteuert werden können.

Um die zuvor geschilderten Anforderungen zu befriedigen, sind Wandler mit sechs Freiheitsgraden und hoher Empfindlichkeit erforderlich, die im wesentlichen keine mechanische Hysterese haben und die elektrische Ausgangssignale erzeugen, welche die entlang der einzelnen Koordinaten-Achsen wirkenden Kräfte bei vernachlässigbarer Querströmung (»contamination«) angeben, also nur vernachlässigbare Störkomponenten in Richtung der nicht betrachteten Koordinaten-Achsen erzeugen.

Mechanisch/elektrische Wandler mit sechs Freiheitsgraden sind bekannt. Ein Wandler dieser Art ist in der DE-OS 28 26 131 beschrieben. In einer im wesentlichen zylindrischen Dose ist mittels halbkreisförmig gebogener Federarme die Nabe eines dreiarmigen Sterns allseitig beweglich aufgehängt. Für jeden der Arme sind zwei mechanisch/elektrische Umformer an der Dose gehalten, die mittels mechanischer Fühler die Bewegung der zugeordneten Arms in axialer Richtung bzw. Umfangsrichtung erfassen. Das Meßergebnis ist stark abhängig von der Bemessung der Federarme, die insbesondere gleiche Biegeeigenschaften haben müssen, wenn der Wandler insgesamt gleichmäßige Auslenkeigenschaften haben soll. Zwischen den Ausgangssignalen der Umformer einerseits und den Kräften in vorbestimmten Koordinatenrichtungen bestehen komplizierte mathematische Zusammenhänge, die in aufwendigen Rechenschaltungen berücksichtigt werden müssen. Da die als Bandfedern ausgebildeten Federarme beim Auslenken nicht nur in ihrer Ebene gebogen werden, sondern auch verdrillt werden, ergeben sich Nichtlinearitäten, die sich als Störkomponenten auf die nach Koordinatenrichtungen geordneten Krattkomponenten auswirken. Schließlich führt die mechanische Abtastung des dreiarmigen Sterns durch mechanische Taster der Umformer aufgrund des mechanischen Spiels und insbesondere der Reibung zwischen den Tastern und den Armen des Sterns zu einer mechanischen Hysterese. Ein anderer, aus der DE-OS 27 54 436 bekannter Roboter weist zwei motorisch relativ zueinander bewsgbare, abgewinkelte Haltefinger auf. Jeder dieser Finger umfaßt im Bereich seiner Abwinkelung drei Dehnungsmeßstreifen. Die Dehnungsmeßstreifen der beiden Finger sind unsymmetrisch zueinander angeordnet und messen Kraft- und Momentwerte für insgesamt sechs Freiheitsgrade. Da kein gemeinsames Abtriebsorgan vorhanden ist, müssen die Kraft- und Momentwerte auf die Position des zwischen den Fingern gehaltenen Werkstücks bzw. Werkzeugs umgerechnet werden. Hierbei sind eine Vielzahl unbekannter variabler ο Größen zu Kalibrierzweeken durch Verversuehe zu ermitteln. Wandler dieser Art sind darüber hinaus empfindlich gegen Temperaiurveränderungen. Dem Einsatz solcher Wandler müssen Untersuchungen der Elastizitäts- und Deformationseigenschaften sowohl des 6 Roboterarms als uuch der damit gehandhabten Werkslücke und Werkzeuge vorausgehen. Schließlich sind die Schaltungen für die Verarbeitung der Signale sehr kompliziert und nicht für alle Anwendungsfälle ausreichend zuverlässig.

Aus der GB-PS 13 68 145 ist ein Positionsgeber für eine Welle bekannt, die sowohl Drehbewegungen als auch eine lineare Bewegung in Richtung der Wellenachse ausführen kann. Der Positionsgeber umfaßt zwei Mehrfachplatten-Kondensatoren mit zylindrisch gekrümmten, isoliert ineinandergreifenden Plattenpaketen. Die Plattenpakete des die lineare Bewegung ίο erfassenden Kondensators sind als geschlossene Zylinderringe ausgebildet, während die Platten des die Drehbewegung erfassenden Kondensators aus zwei diametral gegenüberliegenden Zylindersegmenten bestehen. Mittels des bekannten Positionsgebers werden lediglich Bewegungskomponenten in zwei Freiheitsgraden, jedoch keine Kraft- bzw. Momentkomponenten erfaßt

Schließlich ist es aus der GB-PS 14 19 779 bekannt bei einer Vorrichtung zum Aufextrudieren eines Isoliermantel; auf eine Kabelader die Exzentrizität des Isoliermantels dadurch zu mesial, daß um das Kabel herum vier zylindersegmentförmig gebogene Platten angeordnet werden, deren Kapazitätswerte mit der Dicke des im Sektor der einzelnen Platten sich befindenden Isolationsmantelabschniue variieren. Die Pia· ten werden jedoch nicht für Kraft- bzw. Momentmessungen irgendwelcher Art ausgenutzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen empfindlichen, verschleißarmen mechanisch/elektrischen Wandler mit j» sechs Freiheitsgraden anzugeben, der temperaturunempfindlich und weitgehend frei von mechanischer Hysterese ist und in einfach auswertbarer Beziehung zu den Koordinaten-Achsen der Freiheitsgrade stehende elektrische Signale liefert, welche nicht oder nur ü vernachlässigbar durch Störkomponenten der jeweils anderen Koordinaten-Achsen verfälscht sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

»ι Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Wandlers mit Merkmalen nach der Erfindung, '■ Fig.2 einen Längsschnitt gemäß der Linie H-II in F i g. 1 in vergrößertem Maßstab,

F i g. 3 eine perspektivische Darstellung des Zylinderkörpers des Wandlers der F i g. 1,

Fig.4 einen Querschnitt gemäß der Linie IV-IV in " F ig. 2,

Fig.5 einen Querschnitt gemäß der Linie V-V in F i g. 2,

Fig.6 einen Queischnitt gemäß der Linie VI-Vl in Fig. 2.

Fig. 7 eine Schnittdarstellung gemäß de^ Linie VII-VII in Fig.5,und

Fig.8 ein schematisches elektrisches Schaltdiagramm der Detektoreinrichtung, die einen Teil einer Vorrichtung vnit Merkmalen nach der Erfindung bildet. 'J Fig. 1 zeigt einen Wandler 1 mit sechs Freiheitsgraden, der an einem Ende mit einem bewegbaren Teil 2 verbunden ist, welches beispielsweise aus dem bewegbaren Arm eines Roboters bestehen kann.

Gemäß Fig. 2 umfaßt der Wandler mit Merkmalen

> nach der Erfindung einen steifen starren Körper 3 mit

im wesentlichen zylindrischer Form, der in einem steifen Gehäuse 4 angeordnet ist, welches eine wesentlichen zylindrische Innenfläche aufweist.

Der Körper 3 umfaßt ein hohles zylindrisches Element 5, dessen Innenfläche an dem zum Arm 2 des Roboters weisenden Ende mit einem Gewinde ausgestattet ist.

Ein Verbindungselement zur Verbindung des Körpers 3 mit dem Ende des Armes 2 des Roboters ist mit 6 bezeichnet. Das Verbindungselement 6 ist im wesentlichen zylinderförmig und der untere Abschnitt seiner Seitenfläche ist mit einem Gewinde ausgestattet und greift in einen entsprechenden Gewindeabschnitt des hehlen zylindrischen Elements 5 ein.

Das Verbindungselement 6 ist mit einem einstückigen ringförmigen Flansch 6a versehen, der als Endanschlag für die obere Kante des hohlen zylindrischen Elements 3 dient.

Ein ringförmiges Element 7 ist an dem Ende des bewegbaren Armes 2 mit Hilfe von Schrauben 8 befestigt und mit einer axialen zylindrischen Kammer ausgestattet, die aus einem ersten und einem zweiten koaxialen zylindrischen Abschnitt 9a, 9ό besteht, durch den das Verbindungselement 6 ragt. Der Endabschnitt 6b des Elements 6 ist zum Teil mit einem Gewinde ausgestattet, um in eine Mutter 10 einzugreifen, die dazu dient das Element 6 mit dem ringförmigen Element 7 zu verbinden.

Das Verbindungselement 6 ist mit einer axialen Bohrung 6c versehen, deren Zweck noch im Laufe der folgenden Beschreibung hervorgehen wird, und ist mit einem Paar von sich gegenüberliegenden radialen Bohrungen %d versehen, die als Sitz für zwei Querstifte U dienen, deren Enden radial von den Bohrungen 6d nach außen ragen. Die Funktion der Stifte Il wird auch noch beschrieben werden.

Die Seitenfläche des hohlen zylinderförmigen Elements 5 umfaßt einen ersten und einen zweiten axialen Abschnitt, von denen jeder mit vier in gleichem Winkelabstand angeordneten Metallplatten 12 ausgestattet ist, die sich diametral gegenüberliegend paarweise angeordnet sind (F i g. 3 -f 4).

Gemäß den Fig.3 und 4 ist zwischen den zwei benachbarten Metallplatten 12 ein Stift 13 vorgesehen, der von einem hohlen zylindrischen Element 5 gehaltert ist, um die Positionierung der Metallplatten 12 auf der Seitenfläche des hohlen zylinderförmigen Körpers 5 während des Zusammenbaus zu vereinfachen.

Die Stifte 13 können aus Metall bestehen, in welchem Fall ihre Seitenflächen mit einer dünnen Schicht aus einem elektrisch isolierendem Material überzogen sind, die beispielsweise durch Oxidation erhalten werden kann.

Die Fläche des hohlen zylinderförmigen Körpers 5 ist mit drei ringförmigen Nuten 14 versehen, die jeweils einen Ring 15 aus einem elastomeren Material aufnehmen, welche mit der Innenfläche des Gehäuses 4 zusammen arbeiten und als nachgiebige Abstandselemente dienen.

Das hohle zylindrische Element 5 ist auch mit einer ringförmigen Nut 16 an seiner unteren Endfläche ausgestattet Ein Ring 17 aus einem elastomeren Material ist von dieser Nut aufgenommen. Die obere Fläche des ringförmigen Flansches 6a des Verbindungselements 6 ist auch mit einer ringförmigen Nut 18 ausgestattet, in der sich ein Ring 19 aus elastomerem Material befindet

Die Wand des hohlen zylindrischen Elements 5 ist entsprechend jeder Metallplatte 12 mit einer Bohrung 12 versehen, durch die ein elektrischer Leiter 21 verläuft, der an seinem einen Ende an eine entsprechende Metallplatte 12 angelötet ist. Die elektrischen Leiter 21 erstrecken sich durch Bohrungen 6c des Verbindungselements 6 und verlaufen dann vom Ende des bewegbaren Armes über eine Bohrung 2a nach außen.

Der hohle zylindrische Körper 5 besitzt einen zylinderförmigen Endfortsatz 5a, der mit einer diametral verlaufenden Bohrung 5b versehen ist, in die ein Stift 22 eingesetzt ist, dessen Ende radial von dem Fortsatz 5a nach außen abstehen. Der Zweck des Stiftes

to 22 soll im folgenden erläutert werden.

Das hohle zylindrische Element 5 kann aus einem elektrisch isolierendem Material mit beträchtlicher mechanischer Festigkeit hergestellt sein. Das Gehäuse 4 umfaßt eine zylindrische Hülse 23, an deren Enden mit Hilfe von Schrauben 24 und 25 jeweils Verschlußelemente 26 und 27 (Fig. 2) angeschlossen sind. Das Verschlußelement 26 besitzt eine kreisförmige zylindrische Bohrung 28 (Fig. 5), durch die sich das Verbindungselement 6 erstreckt. Die Seiten der

.'() gciiaillueil Bcjliiung 28 Sind mit Zwei SiCu uläiTiCirä!

gegenüberliegenden Ausnehmungen 28a ausgestattet, in die sich die Enden der Stifte 11 am Verbindungselement 6 erstrecken.

Um das Verbindungselement 6 ist oberhalb des >5 Flansches 6a des Verbindungselements eine Beilegscheibe 29 gelegt. Die untere Fläche der Beilegscheibe 29 arbeitet mit dem Ring 19 aus dem elastomeren Material zusammen, welcher als nachgiebiges Abstandselement d.t'iit. Um den unteren Fortsatz 5a des hohlen

jo zylinderförmigen Elements 5 ist eine Beilegscheibe 30 angeordnet und sitzt auf dem Verschlußelement 27. Die obere Fläche der Bei?egscheibe 30 wirkt mit dem Ring 17 aus elastomeren Material zusammen, der an dem unteren Ende des hohlen zylinderförmigen Elements 5

J5 gehaltert ist und als ein nachgiebiges Abstandselement wirkt.

Das untere Verschlußelement 27 ist mit einer axialen zylinderförmigen Kammer 31 ausgestattet (F i g. 6). Der zylinderförmige Fortsatz 5a des hohlen zylinderförmigen Elements 5 erstreckt sich in einen ersten Abschnitt der zylinderförmigen Kammer 31. Die Wand dieses ersten Abschnitts der Kammer 31 ist mit zwei sich diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen 31a ausgestattet, in die sich die Enden des Stiftes 22 erstrecken, der am unteren Ende des hohlen zylinderförmigen Elements 5 angeordnet ist.

Die Kammer 31 umfaßt auch einen zweiten zylinderförmigen Abschnitt 31 fc (F i g. 2), der mit einem Gewinde ausgestattet ist, dessen Zweck noch erläutert werden soll. Die Seitenfläche des Verschlußelements 27 ist zum Teil mit Gewinde versehen, dessen Zweck auch noch beschrieben werden soll.

Die innere Fläche der Hülse 23 ist mit zwei im wesentlichen halb zylinderförmigen Metallplatten 32 ausgestattet, die gleichen winkelmäßigen Abstand voneinander haben und den Platten 12 gegenüberliegend angeordnet sind, die von dem hohlen zylinderförmigen Element 5 derart gehaltert sind, daß damit ein schmaler Zwischenraum definiert wird, und acht Kondensatoren gebildet werden, deren Kapazitätswerte von den Lagen der Platten 32 des Gehäuses relativ zu den Platten 12 des Elements 5 abhängen.

Die Hülse 23 kann aus einem elektrisch isolierendem Material hergestellt sein, welches eine ziemliche mechanische Festigkeit besitzt Auch kann die Hülse an ihrer Außenfläche mit einem elektrischen Leiter bedeckt sein, um dadurch eine Abschirmung zu erzielen.

Ein elektrischer Leiter 33 (F i g. 7) ist mit jeder der

Platten 32 verbunden. Jeder Leiter33 erstreckt sich vom Gehäuse 4 über eine entsprechende öffnung 34 (F i g. 5 und 7) des Verschlußelements 26 des Gehäuses 4 nach außen. Das Gehäuse 4, welches von der Hülse 23 und den Verschlußelementen 26, 27 gebildet wird, ist nachgiebig am Körper 3 (der von dem hohlen zylindrischen Element 5 und von dem Verbindungselement 6 gebildet wird) mit Hilfe von Ringen 15,17 und 19 3i.-r^ehängt, die als nachgiebige Abstandsteile wirken. Das Gehäuse 4 kann eine begrenzte Bewegung entsprechend sechs Freiheitsgraden gegenüber dem Körper 3 ausführen.

Die Beilegscheibe 29 und 30 arbeiten jeweils mit den Ringen 19 und 17 zusammen, um die axiale Verschiebung des Gehäuses 4 gegenüber dem Körper 3 zu begrenzen. Die Enden der Stifte 11, 22, die sich unter Spiel in die Ausnehmungen 28 und 31a jeweils erstrecken, begrenzen die Winkelbewegungen oder Verschiebungen des Gehäuses 4 gegenüber dem Körper 3.

Die Wirkung der Kräfte oder Momente, die während der Verwendung aus dem bewegbaren Arm 2 über den Wandler 1 nach der Erfindung übertragen werden, werden in Änderungen der Kapazitätswerte von wenigstens einigen der acht Kondensatoren umgewandelt, die durch die Platten 12 gebildet sind, welche von dem hohlen zylindrischen Element 5 und von der Hülse 23 gehalterten Platten 22 getragen sind. Die Kapazitätsänderungen können sich sowohl aufgrund der Änderung der zugewandten Flächenabschnitte jeder Platte 12 und der gegenüberliegenden Platte 32 als auch durch Änderung ihres Trennungsabstandes ergeben.

F i g. 8 zeigt schematisch die Detektoreinrichtung, die an die Platten 12 des Körpers 3 und die Platten 32 des Gehäuses 4 angeschlossen ist, um während des Betriebs die Kapazitätswerte jedes Kondensators zu messen und um auf der Grundlage dieser Messung elektrische Signale zu erzeugen, welche die Kräfte und Momente angeben, die auf das bewegbare Teil in Form des bewegbaren Armes 2 eines Roboters wirken. In dieser Figur sind die vom Körper 3 gehalterten Platten mit 12a, 126, 12c, Md, 12e, 12/! \2g und 12Λ bezeichnet und die von dem Gehäuse 4 gehalterten Platten sind jeweils zum besseren Verständnis der folgenden Erläuterungen mit 32a und 326 bezeichnet.

Ein orthogonales kartesisches Bezugssystem OXYZ ist in F i g. 8 eingezeichnet, bei dem die X-Achse mit den Achsen der konzentrischen kreisförmigen Zyiinderflächen zusammenfällt, von denen die Platten 12 und 32 einen Teil bilden, dessen X-Achse senkrecht zu den zwei entsprechenden sich gegenüberliegenden Plattenpaaren und durch die Mitte dieser Platten verläuft, und dessen K-Achse senkrecht zu den Zund X-Achsen verläuft.

Die Platten 32a und 326 sind beide geerdet

Acht Spannungs/Frequenzwandler sind mit den Bezugszeichen 35 bis 40 versehen und werden von einem einzigen Oszillator 43 versorgt. Bekanntlich kann ein Spannungs/Frequenzwandler als Kapazitätsmeßinstrument eingesetzt werden. Ein Spannungs/Frequenzwandler, der besonders für den vorliegenden Zweck geeignet ist, besteht aus einer integrierten Schaltung, die unter der Bezeichnung LM 2907 im Handel erhältlich ist und von National Semiconductors hergestellt wird.

Jeder der Spannungs/Frequenzwandler 35 bis 42 ist mit einem zugeordneten Kondensator verbunden, der von einer der Platten 12 und dem gegenüberliegenden Abschnitt einer entsprechenden Platte 32 gebildet ist. Die Wandler 35 bis 42 erzeugen an ihrem Ausgang ein Spannungssignal, dessen Amplitude proportional zur Kapazität des betreffenden Kondensators ist, an den sie jeweils angeschlossen sind. Die Ausgangsspannungen der Wandler 35 bis 42 sollen in der folgenden Beschreibung jeweils mit Ki, Kj ... K₈ bezeichnet werden (F i g. 8).

Es sei angenommen, daß auf das Gehäuse 4 entlang der X-Achse in negativer Richtung eine Kraft wirkt (Fig.8). Diese Kraft verursacht eine Versetzung des

ίο Gehäuses 4 gegenüber dem inneren Körper 3, derart, daß der Abstand zwischen den Platten 12a, 12c und der Platte 32a vermindert wird, während der Abstand zwischen den Platten 126, 12c/ und der Platte 326 vergrößert wird. Demzufolge nimmt der Kapazitäts wert der Kondensatoren zu, die von den Platten 126, i2d und 32a gebildet werden, während der Kapazitätswert der Kondensatoren vermindert wird, die von den Platten 12a, 12c und 326 gebildet sind. Demzufolge werden die Spannungen Vl und V₅, die an den

^u Ausgängen der Wandler 35 und 39 erscheinen, jeweils erhöht und die Spannungen V₄ und Vs, die an den Ausgängen der Wandler 38 und 42 jeweils erscheinen, werden vermindert.

Es ist somit offensichtlich, daß die Größe

- V₄) + (V₅ - K₈)

ein Maß für die relative Verschiebung des Gehäuses 4 gegenüber dem inneren Körper 3 ist und zwar aufgrund der Wirkung einer Kraft, die entlang der X-Achse wirkt. JO Auf der Grundlage ähnlicher Überlegungen wie der vorangegangenen kann ermittelt werden, daß die Größe

(V₂ - K₃) + (V₆ - V₇)

ein Maß für das Ausmaß der Versetzungsbewegung des Gehäuses 4 gegenüber dem inneren Körper 3 ist und zwar entsprechend der Wirkung einer Kraft, die entlang der Y- Achse wirkt

Darüber hinaus bilden die Größen

(V₂- Vi)-(V₆- V₇) und
CK₁ - K₄) - CK₅ - K₈)

ein Maß für das Ausmaß der relativen Drehung des Gehäuses 4 gegenüber dem inneren Körper 3 aufgrund der Wirkung von Momenten, die jeweils um die X-Achse und die V-Achse wirken.

Es sei nun angenommen, daß eine Kraft parallel zur Z-Achse beispielsweise in positiver Richtung dieser Achse auf das Gehäuse 4 einwirkt.

Die Wirkung dieser Kraft verursacht eine axiale Querbewegung der Platten 32 gegenüber den acht Platten 12. Als Folge dieser Querbewegung nehmen die Kapazitätswerte der vier Kondensatoren, die durch die Platten 12a, 126,12e, 12/und durch die gegenüberliegenden Abschnitte der Platten 32a, 326 gebildet sind, aufgrund einer Zunahme der sich überlappenden Rächen zu. Gleichzeitig nimmt der Kapazitätswert der Kondensatoren, die durch die Platten 12c, 124 \2g, \2h und die gegenüberliegenden Abschnitte der Flatten 32a, 326 gebildet sind, aufgrund der Verminderung der Überlappung der Flächenbereiche dieser Platten ab.

Andererseits nehmen immer dann, wenn eine Kraft auf das Gehäuse 4 in einer Richtung parallel zur Z-Achse, jedoch in negativem Sinn wirkt, die Kapazitätswerte der Kondensatoren mit den Platten 12c 124 12g; 12/7 zu und die Kapazitätswerte der Kondensatoren mit den Platten 12a, 126,12£ 12enehmen ab.

Was immer auch die Richtung der Kraft sein mag, die auf das Gehäuse 4 parallel zur Z-Achse wirkt, ist die Größe (beispielsweise)

(Vx - V₅) + (V₄ - V₈)

ein Anzeichen für die Größe und die Richtung der relativen Verschiebung zwischen Gehäuse 4 und dem inneren Körper 3 entlang der Z-Achse nachfolgend auf die Wirkung der Kraft, die auf das Gehäuse 4 parallel zur Z-Achse wirkt, so daß diese Größe auch ein Maß für die Größe und die Richtung dieser Kraft ist.

Zum Zwecke der Herstellung einer Beziehung zwischen der Kapazitätsänderung der acht Kondensatoren und der Größe und der Richtung einer parallel zur Z-Achse wirkenden Kraft ist es offensichtlich erforder- η lieh, daß die Kreise, die jeweils durch die oberen Kanten der Platten 12a, \2b, 12e, 12/" (Fig. 8) und durch die unteren Kanten der Platten 12c, \2d, \2g, 12Λ (Fig.8) definiert sind, in jeweiligen Ebenen liegen sollten, welche die Flauen 32a, 32o nicht schneiden. -'o

Es sei nun angenommen, daß um die Z-Achse ein Drehmoment wirkt beispielsweise entgegen dem Uhrzeigersinn auf das Gehäuse 4 einwirkt. Aufgrund der Wirkung dieses Drehmoments nehmen die Kapazitätswerte der Kondensatoren mit den Platten 12e, \2f. \2g. :ί 12Λ als Ergebnis der Verminderung der Flächenabschnitte der Platten 32a, 326, welche diese Platten überlappen, ab. Gleichzeitig nehmen die Kapazitätswerte der Kondensatoren mit den Platten 12a, 126,12c, \2d aufgrund einer Zunahme der sich überlappenden jo Flächen mit den Platten 32a, 326 zu.

Im Falle eines auf das Gehäuse 4 um die Z-Achse im Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoments, werden die Zunahmen und die Abnahmen der Kapazitäten gegenüber dem Fall umgekehrt, der zuvor in Verbin- r> dung mit einem Drehmoment beschrieben wurde, welches im Gegenuhrzeigersinn wirkt.

In beiden Fällen stellt die Größe

(Vi - V₂) + (V₄ - V₁)

ein Maß hinsichtlich der Größe und der Richtung der relativen Drehung zwischen dem Gehäuse 4 und dem inneren Körper 3 dar, die auf die Anlegung des Drehmoments um die Z-Achse sich ergeben, so daß also diese Größe eine Information sowohl hinsichtlich der ·>Größe als auch der Richtung des Drehmoments liefert.

Um natürlich die Beziehung zwischen den momentanen Kapazitätswerten der Kondensatoren und der Größe und Richtung der Kräfte, die auf das Gehäuse 4 einwirken, nicht zweideutig zu gestalten, ist es erforderlich, daß jede der Platten 12. die von dem inneren Körper 3 gehaltert ist, bei jedem Fall nicht gleichzeitig beide Platten 32 des Gehäuses 4 überlappen. Es muß also das Auftreten einer solchen Situation verhindert werden, wozu die Stifte 11, 22 (Fig.5, 6) vorgesehen sind.

Da diese Stifte sich mit begrenztem Spiel in den zugeordneten Ausnehmungen 28a, 31a drehen können, bilden sie eine Begrenzung der winkelmäßigen Verschiebungen des Gehäuses 4 gegenüber dem inneren Körper 3.

In F i g. 8 sind mit dem Bezugszeichen 44 Verarbeitungsmittel bezeichnet, um die von den Wandlern 35 bis 42 erzeugten Sipnale zu verarbeiten, und um Signale vorzusehen, welche die Komponenten der Kräfte und der Drehmomente entlang bzw. um die X. Y und Z-Achsen, die auf das Gehäuse 4 und demzufolge über den inneren Körper 3 auf den Arm 2 übertragen werden, angeben.

Die Prozessoreinrichtung 44 enthält beispielsweise zehn Differentialverstärker 45 bis 54 und vier analoge Summierschaltungen 55 bis 58. Die Verbindungen zwischen den Eingängen der Differentialverstärker 45 bis 52 und den Ausgängen der Wandler 35 bis 42 als auch die Verbindungen zwischen diesen Differentialverstärkern und den Summierschaltungen 55 bis 58 und den Differentialverstärkern 53, 54 bilden das direkte Schaltungsäquivalent der zuvor beschriebenen sechs Beziehungen zwischen den Spannungen, die an de» Ausgängen der Wandler 35 bis 42 erzeugt werden und ein Äquivalent der Komponenten der Kräfte und der Drehmomente entlang bzw. um die Achsen X. Y und Z. die auf das Gehäuse 4 einwirken und über den inneren Körper 3 auf den bewegbaren Arm 2 übertragen werden.

Speziell können an den Ausgangsanschlüssen der Summierschaltungen 55, 56 und 57 bei Verwendung Spannungssignale abgegriffen werden, die die Kraftkomponenten jeweils entlang der Achsen A', Y und Z. die auf das Gehäuse 4 einwirken, wiedergeben.

An den Ausgangsanschlüssen der Differentialverstärker 53 und 54 und der Summierschaltung 58 sind im Betrieb Spannungssignale verfügbar, welche die Drehmomentkomponenten um die Achsen X. Y und Z. weiche auf das Gehäuse 4 einwirken, jeweils wiedergeben.

Gewöhnlich kann eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach der Erfindung eine Handhabe darstellen, um von Hand den bewegbaren Arm 2 eines Roboters während der Lernphase zu steuern, !n diesem Fall können die am Ausgang des Prozessors 44 erzeugten Signale von einem zentralen Prozessor des Roboters derart verwendet werden, daß eine Minimierung der Kräfte und Drehmomente, die auf die ί i'andhabe einwirken, erreicht wird, um den Arm des Roboters eine bestimmte Bahn durch einen Raum folgen zu lassen, wobei der Arm 2 des Roboters anschließend dieser Bahn folgen soll, wenn der Roboter arbeitet.

Alternativ kann an das untere Ende des Gehäuses 4 der Vorrichtung mit den Merkmalen nach der Erfindung ein Werkzeug befestigt werden, so daß in diesem Fall die Vorrichtung nach der Erfindung als empfindliches Handgelenk arbeiten kann, um Spannungen festzustellen, denen ein Werkzeug während einer Bearbeitung ausgesetzt ist.

Es ist offensichtlich, daß die Ausführungsformen sehr breit gegenüber der beschriebenen und dargestellten Ausführungsform variiert werden können und zwar unter Einhaltung des Prinzips nach der Erfindung und ohne dadurch den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Sämtliche in der Beschreibung erwähnten und in den Zeichnungen dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Wandler mit sechs Freiheitsgraden zur Umwandlung von Kräften und Momenten, die auf ein bewegbares Teil, speziell einem bewegbaren Arm eines Roboters übertragen werden, in elektrische Signale, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler folgende Merkmale aufweist: einen steifen starren Körper (3) mit im wesentlichen zylindrischer Form, der mit dem bewegbaren Teil (2) verbunden ist und dessen Seitenfläche einen ersten und einen zweiten axialen Abschnitt aufweist, von denen jeder mit vier Metallplatten (12a, 126,12e, 12/; 12a 12rf, 12g, 12Λ; ausgestattet ist, die in gleichem Winkelabstand sich paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Mantellinien der Seitenfläche, die tangential zu jeder der von dem ersten axialen Abschnitt der Fläche getragenen Platte (12) verlaufen, tangential zu einer entsprechenden Platte (12) verlaufen, die von dem zweiien Abschnitt getragen ist, ein starres oder steifes Gehäuse (4) mit einer im wesentlichen zyür.derförmigen inneren Fläche, welche den genannten Körper (3) umschließt, wobei das Gehäuse (4) Ober nachgiebige Abstandshalter (15, 17, 19) an dem Körper (3) nachgiebig aufgehängt ist, derart, daß das Gehäuse begrenzte Versatzbewegungen oder Verschiebungen mit sechs Freiheitsgraden relativ zum Körper (3) ausführen kann, und wobei die Innenfläche des Gehäuses (4) mit zwei im wesentlichen halbzyiinderförmigen und in gleichem Winkelabstand angeordneten Metallplatten (32) ausgestattet ist, welche den von dem Körper gehalterten Platten (12) gegenüberliegen, derart, dad zwischen diesen ein schmaler Zwischenraum gebildet ist und acht Kondensatoren gebildet werden, eieren Kapazitätswerte von den relativen Lagen der Platten (32) des Gehäuses (4) zu den Platten (12) des Körpers (3) abhängen, Detektoren (35—58), die an die Kondensatoren angeschlossen sind, um während des Betriebes die momentanen Kapazitätswerte jedes der Kondensatoren zu messen und um auf der Grundlage dieser Messung elektrische Signale zu erzeugen, welche die auf das bewegbare Teil (2) wirkenden Kräfte und Momente wiedergeben.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen der Seitenflächen des Körpers (3) jeweils mit wenigstens einer ringförmigen Nut (14, 16, 18) ausgestattet sind, und daß die nachgiebigen Abstandshalter aus Ringen (15,17,19) aus elastomeren Material bestehen, die in den ringförmigen Nuten (14, 16, 18) des Körpers (3) eingesetzt sind, und mit den inneren Flächen des Gehäuses (4) zusammenwirken.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) an seinen Enden mit wenigstens einem radialen Fortsatz (11, 12) ausgestattet ist, der in eine entsprechende Ausnehmung (28a, 31a; der Wand des Gehäuses (4) derart ragt, daß die winkelmäßigen Verschiebungen des Gehäuses (4) relativ zum Körper (3) begrenzt sind.

4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) an jedem Ende mit einer Wand (29, 30) ausgestattet ist, die in radialer Richtung von dessen Innenfläche absteht und einer entsprechenden Endfläche des Körpers (3) gegenüberliegt, daß die sich radial erstreckenden Wände (29j 30) des Gehäuses (4) mit den Ringen (17,

19) in den Nuten (16,18) der Endflächen des Körpers (3) zusammen arbeiten, um die axialen Verschiebebewegungen des Gehäuses (4) relativ zum Körper (3) zu begrenzen.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zwei radial verlaufenden Wände aus einer ringförmigen Wand (29; 30) besteht.

6. Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ι ο gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) eine Handhabe

darstellt, um von Hand den bewegbaren Arm (2) eines Roboters während der Lernphase zu steuern.

7. Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) an seinem Ende, welches im Betrieb dem bewegbaren Arm (2) des Roboters gegenüberliegt, Mittel (27; 31£>; zum Verbinden oder Anschließen eines Werkzeugs aufweist

8. Wandler nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor acht Spannungs/Frequenzwandler (35—42) umfaßt, und denen jeder mit einer jeweiligen Platte (12) des Körpers (3) verbunden ist und von einem einzelnen Oszillator (43) gesteuert ist, wobei jeder der Wandler (35—42) Ausgangssignale erzeugt, deren Spannung proportional zur Kapazität des entsprechenden Kondensators ist, und daß eine Prozessoreinrichtung (44; 45—58) vorgesehen ist, um die von den Wandlern

jo (35—42) erzeugten Signale zu verarbeiten und um Signale zu erzeugen, welche die auf das Gehäuse (4) einwirkenden Kräfte und Momente angeben und damit über den Körper (3) die auf das bewegbare Teil (2) einwirkenden Kräfte angeben.