DE3239211A1

DE3239211A1 - Manipulator

Info

Publication number: DE3239211A1
Application number: DE19823239211
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Victor Cole of Newbury Berkshire Linden
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1981-10-23
Filing date: 1982-10-22
Publication date: 1983-05-05
Also published as: FR2515090A1; FR2515090B1; US4537547A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Manipulator, der für die entfernte Handhabung von Gegenständen ^in einer aggressiven Umge-,, bung, wie einer radioaktiven Kammer, benutzt wird.

Solche Manipulatoren können einen Arbeitsarm, und eine beherrschende Steuerung zum Umwandeln der Forderungen der Bedienungsperson in elektrische Signale zum Steuern des Arbeitsarms aufweisen. Mindestens eine der Bewegungen des Arbeitsannes kann durch Fluid-Krafteinrichtungen mit Kraft versorgt werden, z.B. durch ein hydraulisches Stellglied :, und ein Problem, das solchen Manipulatoren gemeinsam ist, ist, daß die Fluid-Krafteinrichtung eine beträchtlich größere Kraft ausüben kann, als für viele Anwendungen erforderlich ist, z.B. wo verhältnismäßig feine Objekte durch den Manipulator gehandhabt werden müssen.

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Die Erfindung schafft daher einen Manipulator mit einem Arbeitsarm, bei dem mindestens eine seiner Bewegungen durch Fluid-Krafteinrichtungen betätigbar ist, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Fluid-Krafteinrichtung, wobei eine Einrichtung zum Überwachen des Fluiddrucks der Fluid-Krafteinrichtung, und eine Einrichtung, um auf die Steuereinrichtung eine Last, die besagtem Druck proportional ist, einwirken zu lassen, vorgesehen ist.

Bevorzugt umfaßt die Bewegung die einer Backeneinrichtung des Arbeitsarms, und weist die Steuereinrichtung eine von Hand betätigte Greifeinrichtung zum Betätigen der Backeneinrichtung auf, und es ist dafür Sorge getragen, daß die ausgeübte Last an die Greifeinrichtung angelegt wird.

Bevorzugt weist die Steuereinrichtung eine Fluid-Krafteinrichtung auf, die so angeordnet ist, daß sie durch die Greifeinrichtung betätigbar ist, wobei die Last durch Unter-Druck-Setzen der Fluid-Krafteinrichtung ausgeübt wird, um der Betätigung der Greifeinrichtung entgegenzuwirken. Eine Einrichtung zum Überwachen der durch die Greifeinrichtung ausgeübten Kraft kann so eingerichtet sein, daß sie ein Signal liefert, das mit einem Signal von der Drucküberwachungseinrichtung verglichen werden soll, um ein Fehlersignal zu liefern, das den Unterschied zwischen diesen beiden Signalen darstellt und eine Servoventileinrichtung steuert, die mit der Fluid-Krafteinrichtung der Steuereinrichtung verbunden ist.

Bevorzugt sind Lagemeßeinrichtungen an der Backeneinrichtung und der Greifeinrichtung vorgesehen, um die Betätigung der Backeneinrichtung und der Greifeinrichtung zu überwachen und die Betätigung der Backeneinrichtung aus der Differenz zwischen Signalen aus den Lagemeßeinrichtungen zu steuern.

Die Fluid-Krafteinrichtung des Arbeitsarms oder der Steuereinrichtung weist bevorzugt eine hydraulische oder pneumatische Krafteinrichtung auf, wobei hydraulische Krafteinrichtungen besonders bevorzugt sind.

Bei einer Anwendung weist der Manipulator der Erfindung bevorzugt einen Arbeitsarm, einen herrschenden Arm mit der Steuereinrichtung und ein Durchgangsrohr zum Verbinden des Arbeitsarms mit dem herrschenden Arm auf, obwohl, wenn gewünscht, ein Manipulator der Erfindung alternativ bevorzugt so angeordnet und ausgebildet ist, daß er demontierbar mit mindestens einer Stelle in einer aggressiven Umgebung verbunden ist, wobei die oder jede der Stellen mit der außerhalb der aggressiven Umgebung angeordneten Steuereinrichtung verbindbar ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, auf die wegen ihrer großen Klarheit und Übersichtlichkeit bezüglich der Offenbarung ausdrücklich verwiesen wird, noch näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Manipulators, der in einem Teil einer Wand um eine radioaktive Umgebung installiert ist, und

Fig. 2 schematisch ein System zum Steuern der Betätigung eines Backenmechanismus des Manipulators der Fig. 1.

In Fig. 1 weist ein Manipulator 10 einen Arbeitsarm 12, einen herrschenden Arm 14, und ein Durchgangsrohr 16, das gasdicht in einem Teil einer Wand 18, die eine radioaktive Umgebung 22 umschließt, angebracht ist, auf. Bewegungen des

herrschenden Armes 14 werden durch das Durchgangsrohr 16 übertragen, um die Bewegungen des Arbeitsarmes 12 zu steuern. Ein Backenmechanismus 26, der sich von einer Anlenkanordnung 28 am freien Ende des Arbeitsannes 12 erstreckt, wird durch einen Greifmechanismus 30 am freien Ende des herrschenden Arms 14 gesteuert.

Wie schematisch in Fig. 2 gezeigt, wird in einem System 32 der Backenmechanismus 26 der Fig. 1 durch ein hydraulisches Stellglied 34, das mit einem Servoventil 36 durch hydraulische Leitungen 38 und 39 verbunden ist, betrieben, wobei das Servoventil 36 mit einer hydraulischen Pumpe 42 durch ein Drucksteuerventil 44 und mit einem Sammelbehälter 46 verbunden ist. Eine Lagemeßeinrichtung 48 überwacht die Linearbewegung einer Stange 50, die das Stellglied 34 mit dem Backenmechanismus 26 verbindet, und liefert ein dieser Bewegung entsprechendes Ausgangssignal an einen Differenzverstärker 52, der mit dem Servoventil 36 und dem Drucksteuerventil 44 verbunden ist. Ein Differenzdruckwandler 54 überwacht den Druck in den Leitungen 38 "und 39 und liefert ein zur darin beste- ·. henden Druckdifferenz in Beziehung stehendes Ausgangssignal an einen..Differenzverstärker 56.

Der Greifmechanismus 30 betätigt ein hydraulisches Stellglied 60 über eine Kraftmeßdose 62 und einen Federkasten 64. Der Federkasten 64 weist eine Hülle 66 auf, die mit einer Stange 68 des Stellglieds 60 verbunden ist, und eine Stange 70 vom Greifmechanismus 30, die sich in die Hülle 66 erstreckt um eine Druckfeder 72 unterhalb einer kreisförmigen Platte 74 am Ende der Stange 70 einzuschließen. Eine Lagemeßeinrichtung 76 gleich der Lagemeßeinrichtung 48 überwacht die Linearbewegung der Stange 70 und liefert ein zu dieser Bewegung in Beziehung stehendes Ausgangssignal an den Differenzverstärker 52. Die Kraftmeßdose 62 liefert ein Ausgangssignal, das zu der durch den Greifmechanismus 30 ausgeübten Last in Beziehung

steht, über eine Multipliziereinrichtung 78 an den Differenzverstärker 56, der ein Fehlersignal liefert, um ein Servoventil 80 zu steuern, wobei das Servoventil durch hydraulische Leitungen 82 und 83 an jedes Ende des Stellgliedes 60 angeschlossen ist und mit einer hydraulischen Pumpe 86 und einem Sammelbehälter 88 verbunden ist.

Im Betrieb verschiebt eine Handbetätigung des Greifmechanismus 30 die Stange 70, was ein Ausgangssignal aus der Lagemeßeinrichtung 76 an den Differenzverstärker 52, und ein nachfolgendes Fehlersignal aus dem Differenzverstärker 52 an das "Servoventil 36, um das Stellglied 34 in einer Weise zu verschieben, die die am Differenzverstärker 52 aus den Lagemeßeinrichtungen 48 und 76 erhaltenen Ausgangssignale ausgleichen soll, veranlaßt. Eine Verschiebung des Stellgliedes 34 erzeugt eine entsprechende Bewegung des Backenmechanismus 26, und bis dann, wenn ein Objekt ergriffen wird, ist die Druckdifferenz zwischen den Leitungen 38 und 39 vernachlässigbar. Jedoch steigt diese Druckdifferenz an, sobald ein Objekt durch den Backenmechanismus 26 ergriffen worden ist, und der Fluidfluß in den Leitungen 38 und 39 wird praktisch Null sein. Der Rückfluiddruck zum Servoventil 36 fällt dann auf Null, und somit steht ein Ausgangssignal aus dem Differenzdruckwandler 54 an den Differenzverstärker 56 in Beziehung zu der durch das Stellglied 34 auf den Backenmechanismus 26 ausgeübten Kraft. Ein Ungleichgewicht bei den am Differenzverstärker 56 empfangenen Ausgangssignalen führt zu einem entsprechenden Signal zum Servoventil 80, das eine Strömung von der Pumpe 86 zum Stellglied 60 lenkt, um den Greifmechanismus 30 in einer Richtung, die der Betätigung des Greifmechanismus 30 entgegengesetzt ist, mit einer Last zu beaufschlagen, und dadurch die Differenzdruck- und Lastsignale auszugleichen. Die Verwendung der Multipliziereinrichtung 78 zum Erhöhen oder Vermindern des Ausgangssignals aus der

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Kraftmeßdose 52 ermöglicht, die Last am Greifmechanismus 30 zu einer (beliebigen) Funktion der Last am Backenmechanismus 26 zu machen/ z.B. einen Bruchteil der Last für schwere Lasten oder ein Mehrfaches für zerbrechliche Gegenstände.

Wenn der Greifmechanismus durch die Bedienungsperson losgelassen wird, verstellt die Vorspannung der Druckfeder im Federkasten 64 die Stange 70, um den Greifmechanismus in die vollkommen offene Stellung zurückzustellen, und veranlaßt somit, daß ein Ausgangssignal durch die Lagemeßeinrichtung 76 für den Differenzverstärker 52 erzeugt wird. Ein entsprechendes Fehlersignal vom Differenzverstärker 52 an das Servoventil 36 bewirkt, daß das Servoventil 36 das Fluid in den Leitungen 38 und 39 in-eine Richtung zum Ausgleichen der am Differenzverstärker 52 aus den Lagemeßeinrichtungen 48 und 76 erhaltenen Ausgangssignale lenkt, was den Backenmechanismus 26 veranlaßt, sich zu öffnen.

Das Drucksteuerventil 44, das den Wert der durch das Stellglied 34 ausgeübten Kraft bestimmt, wird durch das Fehlersignal aus dem Differenzverstärker 52 gesteuert. Somit ist, wenn ein Gegenstand einmal durch den Backenmechanismus 26 ergriffen worden ist, die durch das Stellglied 34 ausgeübte tatsächliche Kraft der Bewegung des Greifmechenismus proportional.

Andere Bewegungen des herrschenden Armes 14 können durch das Rohr 16 in bekannter Weise übertragen werden, siehe z.B. die britische Patentbeschreibung No. 1 108 843 (US 3 428 189),auf die, auch bezüglich der Offenbarung, hier ausdrücklich verwiesen wird. Wenn gewünscht kann jedoch jede dieser Bewegungen in einer Weise,die zur vorbeschriebenen analog ist, gesteuert werden, um die Bewegung

des Backenmechanismus 26 zu steuern, um der Bedienungsperson am herrschenden Arm 14 in geringerem oder höherem Maße zu ermöglichen, die durch den Arbeitsarm 12 ausgeübte Kraft wahrzunehmen.

Die Erfindung kann auch bei Anwendungen eingesetzt werden, wo ein Durchführungsrohr 16 weggelassen ist, wobei ein Arbeitsarm einfach demontierbar an einer Stelle innerhalb einer aggressiven Umgebung angebracht ist, wobei die Stelle mit einer Steuerstation für eine Bedienungsperson außerhalb der aggressiven . Umgebung in Verbindung setzbar ist.

Obwohl die Erfindung unter Verwendung einer hydraulischen Schaltung zur Betätigung eines Backenmechanismus eines Manipulators beschrieben wurde, wird klargestellt, daß, wenn gewünscht, ein pneumatischer Kreis benutzt werden kann.

Claims

BERG · STAPF - SCHWABE SANDMAIR g O 3 QO 11 . PATENTANWÄLTE

MAUERKIRCHERSTRASSE 45 -8000 MÜNCHEN 80

Anwaltsakte: 32 428 ²²· Oktober 1982

United Kingdom Atomic Energy Authority 11 Charles II Street
London SW1Y 4QP

Manipulator

Patentansprüche

Manipulator (10) mit einem Arbeitsarm (12), bei dem (12) mindestens eine seiner Bewegungen durch eine Fluid-Krafteinrichtung (34) betätigbar ist, und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Fluid-Krafteinrichtung (34)

gekennzeichnet durch eine Einrichtung (54) zum Überwachen des Fluiddrucks der Fluid-Krafteinrichtung (34), und eine Einrichtung (32) um auf die Steuereinrichtung (14) eine Last auszuüben, die diesem Druck proportional ist.
2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung die einer Backeneinrichtung (26) des Arbeitsarms (12) aufweist.
3. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (14) eine von Hand betätigte

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Greifeinrichtung (30) zum Betätigen der Backeneinrichtung (26) aufweist, und daß die ausgeübte Last der Greifeinrichtung (30) zugeführt wird.
4. Manipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (14) eine Fluid-Krafteinrichtung (60) aufweist, die so aufgebaut und angeordnet ist, daß sie durch die Greifeinrichtung (30) betätigt wird, wobei die Last durch Unter-Druck-Setzen der Fluid-Krafteinrichtung (60),um der Betätigung der Greifeinrichtung (30) entgegenzuwirken, ausgeübt wird." .
5. Manipulator nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (62) zum Überwachen der durch die Greifeinrichtung (30) angelegten Kraft, um ein Signal zu liefern, das mit einem Signal aus der Drucküberwachungseinrichtung (54) zu vergleichen ist, um ein Fehlersignal zu liefern, das die Differenz zwischen den beiden Signalen darstellt, und-eine-Servoventileinrichtung (80) , die mit der Fluid-Krafteinrichtung (60) der Steuereinrichtung (14) verbunden ist und durch das Fehlersignal gesteuert wird.
6. Manipulator nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (78) zum Vervielfachen oder Vermindern der auszuübenden .Last ~.durch Multiplizieren :.·. oder Vermindern des Signales von der Greifeinrichtungskraftüberwachungseinrichtung (62). .
7. Manipulator nach einem der Ansprüche 3-6, gekennzeichnet durch Lagemeßeinrichtungen (48, 76) an der Backeneinrichtung (26) und der Greifeinrichtung (30), .um die Betätigung der Backeneinrichtung (26) und der Greifeinrichtung (3 0) zu überwachen, und die Betätigung

der Backeneinrichtung (26) aus der Differenz zwischen Signalen aus den Lagemeßeinrichtungen (48, 76) zu steuern.
8. Manipulator nach einem der Ansprüche 4-7, gekennzeichnet durch eine elastische Einrichtung (72) zwischen der Greifeinrichtung (30) und ihrer Fluid-Krafteinrichtung (60) , wobei die elastische Einrichtung '(72) vorgespannt ist, um der Betätigung der .Greifeinrichtung. (30) entgegenzuwirken. ...:··
9. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluid-Krafteinrichtung

(34) des Arbeitsarms (12) eine hydraulische Kraftein-richtung aufweist.
10. Manipulator nach einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluid-Krafteinrichtung (60) der Steuereinrichtung (14) eine hydraulische Krafteinrichtung aufweist.
11. Manipulator nach einem der Ansprüche 1-8 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluid-Krafteinrichtung (34) des Arbeitsarms (12) eine pneumatische Krafteinrichtung aufweist.
12. Manipulator nach einem der Ansprüche 4-9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluid-Krafteinrichtung

(60) der Steuereinrichtung (14) eine pneumatische Krafteinrichtung aufweist.
13. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er demontierbar mit mindestens einer Stelle in einer aggressiven Umgebung

(22) verbunden . ist, wobei die oder alle Stellen mit

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der beschriebenen Steuereinrichtung, die außerhalb der Umgebung angeordnet ist, verbindbar ist.
14. Manipulator nach einem der Ansprüche 1-12, gekennzeichnet durch einen herrschenden Arm (14), der die Steuereinrichtung aufweist, und ein Durchgangsrohr (16) zum Verbinden des Arbeitsarms (12) mit dem herrschenden Arm (14).