DE3249273T1

DE3249273T1 - Robotersystem

Info

Publication number: DE3249273T1
Application number: DE823249273T
Authority: DE
Inventors: Louis 01619 Worcester Mass. Abrahams; Burleigh M. 01748 Hopkinton Mass. Hutchins
Original assignee: Zymark Corp
Current assignee: Zymark Corp
Priority date: 1981-12-08
Filing date: 1982-12-07
Publication date: 1984-01-12
Anticipated expiration: 2002-12-08
Also published as: GB8321225D0; GB2123183A; EP0095504A4; US4488241A; JPH0579474B2; EP0095504A1; WO1983002183A1; EP0095504B1; DE3249273C2; GB2123183B; JPS58502046A

Description

PATENTANWALT

EUROPEAN PATENT ATTORNEY

TELt t ON: (088) 84 3β 38

TELEX: 62 1730 pate d CABLES: PATENDLICH GERMERINQ F. ENDLICH, POSTFACH 13 2Θ, D-8034 GERMERINQ BLUMENSTRASSE 8

D-8034 GERMERING

27. Juli 1983 E/m

Anmelderin: Zymark Corporation, Hopkinton, MA, USA

Robotersystem

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem, bei dem an einen Roboterarm ein Greifwerkzeug elektrisch und mechanisch angeschlossen ist, welches System eine derartige Steuerschaltung aufweist, daß das Greifwerkzeug durch die Steuerschaltung abgefragt und adressiert werden kann.

Bei Robotern, die eine Anzahl von Manipulationen vornehmen können, die normalerweise durch Menschen durchgeführt werden, besteht ein Hauptproblem in der Simulation der Arbeitsweise einer Hand, so daß durch das Greifwerk-j zeug viele Formen und Größen von Gegenständen wie mit einer menschlichen Hand manipuliert werden können. Ein Beispiel dafür sind die Schwierigkeiten in einem chemischen Laboratorium, in dem unterschiedliche Arbeiten wie Entfernung und Ersetzung von Schraubkappen auf Gefäßen, eine Betätigung von Spritzen oder eine Handhabung von Reagenzgläsern unterschiedlicher Größe durchgeführt werden sollen, so daß jede Arbeit nur mit einer speziellen Handbewegung erfolgen kann.

Bisher war es bei der Konstruktion von Robotern üblich, besonderen Wert auf verhältnismäßig teure Greifwerkzeuge zu legen, die alle Funktionen bei der betreffenden Anwendung durchführen können. Dies ist ein logischer Standpunkt für einen Industriezweig, in dem es vor allem auf eine arbeitssparende Automatisierung ankommt.

Der Erfindung liegt gegenüber die Erkenntnis zugrunde, daß es vorteilhafter sein kann, ein Robotersystem zu schaffen, das die Verwendung einer Vielfalt von Manipulatoren oder Greifwerkzeugen in Verbindung mit demselben Roboter ermöglicht.

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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Robotersystem anzugeben, das eine Anzahl von G reif werkzeugen aufweist, die ohne weiteres elektrisch und mechanisch in einfacher und automatischer Weise mit einem Roboterarm verbindbar sind. Insbesondere soll eine Kommunikationseinrichtung zwischen einer zentralen Steuereinheit und den Greifwerkzeugen geschaffen werden, um optimale Vorteile aus der Verwendung einer Anzahl von Greifwerkzeugen an einem einzigen Robotersystem erzielen zu können. Ferner soll eine verbesserte Einrichtung zur Erzeugung und Nutzung analoger Signale zu Servomotoren angegeben werden, die an den Manipulatoren angeordnet sind. Das Robotersystem soll eine Schaltung oder gegebenenfalls Mikroprozessoren aufweisen, die an einer Anzahl von austauschbaren Manipulatoren vorgesehen sind und eine Kommunikation mit dem Robotersystem direkt durch die Robotereinheit selbst ermöglichen. Ferner sollen verbesserte Greifwerkzeuge angegeben werden, insbesondere Prozeß-Greifwerkzeuge, die abgefragt und/oder programmiert werden können durch Kommunikation zwischen einer Fernsteuerung und den Manipulatoren, die ohne weiteres durch eine automatische Verriegelung mit einem Roboterarm ausgetauscht werden können.

Ein Robotersystem gemäß der Erfindung weist einen auf eine Computer-Steuerschaltung ansprechenden Roboterarm auf, an dem ein Manipulator angeordnet werden kann. Die Roboterkonstruktion enthält einen Mikropr jzessor, der Signale von der Steuerschaltung empfängt oder an diese überträgt. Dieser Mikroprozessor enthält jedoch auph eine Einrichtung zum Empfang und Senden von Daten an den Manipulator, also an die an dem Roboter angeordneten Greifwerkzeuge. Die an die Schaltung in einem Greifwerkzeug übertragenen Signale enthalten vorteilhafterweise Analogsignale für die Betätigung mindestens eines Servomotors oder dergleichen durch Gleichstrom betätigten Einrichtungen.

Es können eine Anzahl von Computer-Konstruktionen zur Betätigung der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden. Die Bezeichnung "Steuerschaltung" bedeutet in der vorliegenden Beschreibung irgendeeine Steuereinrichtung, die beispielsweise ein relativ großer Computer der PDP-11-Familie sein kann, oder ein spezielleres Computer-Steuersystem, das für ein spezielles Robotersystem oder dergleichen Datenverarbeitungssysteme entwickelt wurde.

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Robotersystems gemäß der Erfindung liegt der Armmechanismus in der Reichweite einer oder mehrerer Stationen, in denen eine Anzahl von Manipulatoren bereit gehalten werden, die automatisch an dem Arm befestigt werden können. Jeder Arm und der Roboter werden mit einer zentralen Computer-Steuerschaltung mit einer geeigneten

Programmierung betätigt.

Im allgemeinen weist jeder Manipulator und der Roboter eine programmierte Moduleinheit auf, die mit einer Steckverbindung mit der Zentraleinheit verbunden wird und einen wichtigen Teil der Kodierung der Zentraleinheit für den Manipulator oder die Roboter-Steuerfunktionen aufweist. Um die Beweglichkeit der Manipulatoren oder sonstiger an dem Roboterarm angeordneter Werkzeugeinheiten zu verbessern, wird keine direkte Kabelverbindung zu der speziell programmierten Moduleinheit in der Zentraleinheit vorgesehen.

Deshalb laufen Verbindungen von dem Computer zu den Manipulatoren durch jede Moduleinheit für einen Manipulator, beispielsweise wenn eine Roboter-Moduleinheit einen Manipulator oder deren Arm anfordert.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Manipulator über die Roboter-Steuerschaltung verbunden ist. In vielen Situationen, beispielsweise beim Ausgießen eines Behälters in ein kleines Reagenzglas, kann der Roboterarm eine Bewegung anfordern, während der Manipulator ausgießt, um die Ausgießöffnung über dem Reagenzglas zu halten. Bei dem Robotersystem erfolgt die zentrale Steuerung durch einen Computer, der eine Steckverbindung mit Moduleinheiten ermöglicht, die eine Kodierung und Befehle für den Roboter enthalten, insbesondere für jeden Manipulator. Es können ferner zahlreiche Moduleinheiten in der Zentraleinheit zusammenwirken.

Der Vorteil eines durch eine Steckverbindung anschließbares Programm, das einer betreffenden Werkzeugeinheit zugeordnet ist, ist darin zu sehen, daß bei neuüii Arbeitsaufgaben neue Moduleinheiten konstruiert und in dem vorhandenen Computersystem verwendet werden können, ohne daß Änderungen an dem vorhandenen System oder den anderen Moduleinheiten erforderlich sind.

Die Erfindung beinhaltet in erster Linie die Steuerung und den Austausch einer Anzahl von. Manipulatoren, also von Werkzeugeinheiten, die Servoeinrichtungen enthalten, die Manipulationen bewirken können. Der Grundgedanke der Erfindung ist jedoch auch auf. andere Werkzeuge anwendbar.

Beispielsweise im Falle einer Bohrmaschine ist es möglich, wesentliche Vorteile unter Verwendung von Merkmalen der Erfindung zu erzielen, insbesondere im Hinblick auf die Abfragung eines schnell entfernbaren Mechanismus. Bei einer Bohrmaschine ist es möglich, einen Wandler vorzusehen, der ein ein auftretendes Drehmoment beinhaltenes Signai erzeugt, das zur Bestätigung der Eignung (oder zur Warnung bei nichtvorhandener Eignung) der Härte eines Materials verwendbar ist, beispielsweise im Hinblick auf die Abnutzung eines Werkzeugs

bei der Bearbeitung eines bestimmten Metalls, oder im Hinblick auf die Größe des verwendeten oder des neu zu verwendenden Werkzeugs.

Vorzugsweise finden leichte Servomotoren Verwendung, weil diese unter den kleinen Steuermotoren am vielfältigsten verwendbar sind. In vielen Fällen können jedoch Schrittmotoren anstelle von Servomotoren verwendet werden.

In manchen Anwendungsfällen sind Schrittmotore vorzuziehen, weil sie keine Funken erzeugen oder billiger sind, oder weil kein anderes Analogsignal benötigt wird und die Schaltung entfallen kann, die speziell für Analogsignale vorgesehen ist, so daß ein Ersatz durch weniger komplizierte Schaltungen für Schrittmotoren erfolgen kann.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Verbindungseinrichtung für ein Robotersystem gemäß der Erfindung;

Fig. 2 und 3 Schnittansichten einer Verriegelungseinrichtung für die Einrichtung in Fig. 1, wobei Fig. 2 die verriegelte Lage zeigt;

Fig. 4 eine Schnittansicht der Verbindungseinrichtung in Fig. 1 im zusammengebauten Zustand;

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Schaltung eines zugeordneten Mikroprozessors, zum Empfang und zur Übermittlung von Daten zwischen einer Zentraleinheit und der Schaltung der Werkzeugeinheit in Fig. 6 und 7 dient;

Fig. 6 ein Blockschaltbild der Schaltung eines Mikroprozessors, der in Verbindung mit der Schaltung in Fig. 5 und einer Zentraleinheit verwendet wird, um einen Manipulator zu betätigen;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer einen Mikroprozessor enthaltenden Schaltung, die in Verbindung mit der Schaltung in Fig. 5 und einer Zentraleinheit dazu verwendet wird, einen komplizierten Manipulator zu betätigen;

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Computersystems für ein Robotersystem gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Roboters gemäß der Erfindung; Fig. 10 eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung der Verkabelung;

Fig. 11 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, aus der die relative Lags der Motoren ersichtlich ist;

Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Erzeugung von Impulsen für die Motorschaltungen;

Fig. 13 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer bevorzugten Steuerung vertikaler und horizontaler Motoren; und

Fig. 14 eine grafische Darstellung zur Erläuterung von in der Schaltung in Fig. 12 auftretenden Signalen.

Fig. 1 2eigt einen Roboterarm 20 mit einer Verbindungseinrichtung 23, die einen Servomotor 24 zur Ausübung einer handgelenkartigen Bewegung auf ein elektrisches Anschlußglied enthält. Ein Stecker 25 weist eine Anzahl von Kontaktstifteh 27 auf. Der Stecker 25 sitzt mit einem Axiallager 28 in einem unteren Blockglied 30. Das. Blockglied 30 ist mit dem Roboterarm 20 durch ein oberes Blockglied 32 beispielsweise mit Schrauben verbunden. Schrauben oder sonstige Befestigungseinrichtungen üblicher Art sind der Zeichnung nicht dargestellt.

Ein Verbindungsglied 34 der Gelenkeinheit weist einen Stecker mit zwei Kontaktstiften 36 auf. Das Verbindungsglied 34 hat eine Hülse 38, die in dem unteren Blockglied 30 sitzt und an einer Stirnfläche des Steckers 25 anliegt und eine Einrichtung zum Schutz der Steckkontakte 27 bildet, welche beim Anschluß der Verbindungseinrichtung in die Hülse 38 vorragen. Das Verbindungsglied 34 wird schließlich in den Blockgliedern 33 und 30 durch den Servomotor 34 gedreht, um eine Handgelenkfunktion zu erzielen. Die Steckkontakte 27 weisen jeweils eine Verriegelungsnut 26 auf, die eine Verriegelung mit der Werkzeugeinheit ermöglicht.

Fig. 1 zeigt ferner eine Werkzeugeinheit 40, die an der Verbindungeinrichtung 23 mit Hlfe der Stifte 36 befestigt werden kann. Die Werkzeugeinheit 40 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zur Aufnahme eines Reagenzglases geeignet und enthält eine in Fig. 2 und 3 dargestellte Verriegelungseinrichtung, die in einem Gehäuse52 angeordnet ist, sowie eine Anschlußplatte 54. Die Verriegelungseinrichtung enthält ein Verriegelungsglied 56, das in der geöffneten oberen Lage durch eine Einheit gehalten wird, die durch einen Führungsblock 112 gehaltert wird. Ein Verriegelungsbolzen 32 wird durch Eingriff mit der Rampe der Führung hochgeschoben, um diese Lage beizubehalten, bis die Stifte 36 eintreten, eine seitliche Verschiebung verursachen und ermöglichen, daß die Federn die Stifte durch Betätigung des Verriegelungsglieds 56 nach unten in der Nut 26 der Stifte verschieben. Dann ist Roboter-Verbindungseinrichtung sicher mit der Werkzeugeinheit verklemmt, die noch einen Servomotor 70 aufweist, der mit einem Manipulator 72 mit einer Greifereinrichtung 74 verbunden ist, die an Trägern 76 angeordnet ist, die nach vorne und hinten in den Zähnen oberer und unterer Zahnstangen 78 durch deren Bewegung in Abhängigkeit von der Drehung eines Zahnrads 73 auf der Welle des Servomotors verbünden sind, welche Welle durch eine Öffnung in einer Platte 80 vorragt.

Es ist jedoch zu beachten, daß das Werkzeug selbst vorteilhafterweise in einem Werkzeughalter sitzt und darin durch den Bolzen 62 befestigt ist. Ferner ist zu beachten, daß vorteilhafterweise die Platte des Servomotors eine elektrische Leitereinrichtung aufweist, die eine Übertragung oder einen Empfang von elektrischen Signalen entweder durch den Roboter oder durch die Werkzeugzahnstange ermöglicht, was davon abhängt, wo sich das Werkzeug zu einem gegebenen Zeitpunkt befindet.

Elektrische Verbindungen von und zu der Vorrichtung können in unterschiedlicher Weise einfach durchgeführt werden. Normalerweise werden Signale durch eine Leitung 100 mit mehreren Leitungsdrähten übertragen, die mit dem Drehstiftglied 25 und dem Servomotor 24 verbunden ist. Verbindungen können mit Hilfe einer zentralen Leitung 104 in dem Glied 34 durch Schlitze 106 in dem Gehäuseglied 52 und die Öffnung 108 in dem Verriegelungsglied 56 zu dem Servomotor 70 erfolgen. Es können Terminals 110 von der Terminalanordnung zu einem Gerüstglied 112 vorgesehen sein, die aus einem Festwertspeicher in einem Chip 114 auslesen können, welcher in dem Glied 54 vorgesehen ist und Informationen über den Zustand der Werkzeugglieder gibt. Im einfachsten Fall kann der Chip oder dieSchaltung eine Nachricht übertragen, die beispielsweise besagt, daß ein Elemente an dem Gerüst vorhanden ist, oder daß ein Element richtig an dem Roboter befestigt ist. Derartige schaltungstechnische Maßnahmen und Kodierungen sind an sich bekannt. Mit einen Festwertspeicher enthaltenden Chips ist ferner eine zweckmäßige Nachrichtenübertragung und Information möglich, die andere Bedingungen betreffen, beispielsweise ob die Einrichtung gereinigt wurde, ob es feucht oder trocken, heiß oder kalt ist. Sehr leichte Servomotoren, die beispielsweise in Modellflugzeugen Verwendung finden, können in vielen Anwendungszwecken der Erfindung benutzt werden, ebenso bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel.

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß ein derartiges Greifwerkzeug für einen Roboter ohne weiteres und automatisch an einem Roboterarm befestigt oder davon entfernt .werden kann, so daß zahlreiche Ausführungsformen derartiger G reif werkzeuge oder Manipulatoren möglich sind, die einen Servomotor in Kombination mit einer übliche mechanische Bewegungen übertragenden Einrichtung enthalten, beispielsweise einen Nocken, einen Zahnstangenantrieb, oder irgendeine Anordnung von Zahnrädern oder Kolben, um ein Greifwerkzeug zu betätigen, das Bewegungen einer Hand simulieren kann. Eine spezielle Steuerschaltung für derartige Manipulatoren soll im folgenden noch erläutert werden. Die verwendbare Schaltung beansprucht ein so kleines Volumen, daß sie in oder auf einem speziellen Manipulator angeordnet werden kann, ohne daß sich mecha-

nische oder räumliche Probleme ergeben.

Elektrische Anschlüsse können ohne weiteres mit dem Manipulator durch den Roboter erfolgen, wie bereits beschrieben wurde.

Fig. 5 ze'igt eine Schaltung, die fünf Verbindungsleitungen bekannter Art mit einer Zentraleinheit aufweist, die nicht dargestellt ist, da eine an sich beliebige Zentraleinheit mit ausreichender Speicherkapazität verwendbar ist. Die fünf Verbindungsleitungen bestehen aus einer Leitung 201 (Data B) zur Übertragung von Signalen von dem Roboter oder dem Greifwerkzeug zu der Zentraleinheit, einer synchronisierenden Leitung 202 (SYNC), einer Leitung 204 (DATA) zur Übertragung von Daten von der Zentraleinheit zu dem Robotersystem, einer Rücksetzleitung 208 (RESET), über die die Zentraleinheit eine periphere Einheit wie jedes Greifwerkzeug erneut betätigen kann, sowie einer Erdleitung 210.

Ein Mikroprozessor 212 (z.B. Intel 8748) ist als Schnittstelle für Computerbefehle zu einem Robotersteuersystem 200 vorgesehen, das Zähler 214 und 215 enthält, die als analoger Impulsbreitengenerator verwendet werden, um die Anbringung des Manipulators durchzuführen.

Der Mikroprozessor 212 dient zur "Betätigung eines Feldeffektschalters, um die Leitung Data B beispielsweise von dem Greifwerkzeug in Fig. 6 ein- oder abzuschalten. Ohne einen derartigen Schalter würde das Greifwerkzeug inFig. 6 gewisse Steuersysteme durch Übertragung von Daten durch die Leitung B belasten,» während keine Daten benötigt werden.

Bevor die Zentraleinheit einen Befehl an den Roboter (oder an irgendeine andere Manipulatoreinheit) abgibt, empfängt sie gewöhnlich ein identifizierendes Signal durch die Leitung Data B, welche das Signal über den Feldeffektechalter zu dem gewünschten Empfänger leitet, also zu der Zentraleinheit.

Ein derartiger Befehl kann irgendeine Funktion des Empfängers bestimmen, einschließlich der Rückübertragung von Daten oder einer Statusangabe. Bei dem beispielsweise in Fig. 7 dargestellten komplizierteren Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung können die Empfänger, also die Manipulatoren, keine Nachrichten übertragen, die nicht zuerst von der 'Zentraleinheit abverlangt wurden.

Das System ermöglicht, daß die Manipulatorschaltung eine Übertragung mit der Zentraleinheit über einige der Leitungen vornimmt, die eine Übertragung zwischen Zentraleinheit und Roboterarm ermöglichen.

Die Schaltung für die Manipulatoren in den Fig. 6 und 7 unterscheiden sich hinsichtljch der Kompliziertheit. Fig. 6 zeigt eine einfache Arbeit für einen

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Roboter, die mit einem Greifwerkzeug durchgeführt werden kann, bei der nur eine einzige Klemmbewegung oder Schubbewegung von einem Servomotor verursacht werden muß. Die Steuerschaltung für das Greifwerkzeug von Fig. 6 enthält sieben Leitungen, von denen vier Leitung 302, 304, 308 und 301 eine Verbindung mit den entsprechenden Eingangsleitungen 202, 204, 208. und 201 herstellen.

Die Leitung 206 stellt i eine Verbindung über den Feldeffektschalter mit dem Mikroprozessor 212 her.- Die Rückstellfunktion wird über eine Leitung 308 durch den Mikroprozessor 212 gesteuert. Zusätzlich zu diesen fünf Leitungen enthält die Schaltung in Fig.6 ein analoges Gleichstrom-Servoeingangssignal, das einem Servomotor über Leitungen 214 und 314 zugeführt wird. Energie wird über die Leitungen 216 und 316 zugeführt. Es ist zu bemerken, daß es lediglich erforderlich ist, in üblicher Weise einen Anschluß an eine Spannungsquelle vorzusehen.

Obwohl es nicht erforderlich ist, die Leitung 214 vorzusehen, ermöglicht in vielen Fällen eine derartige Leitung eine Kostenverringerung bei denjenigen G reif werkzeugen, die nur eine Bewegung durchführen müssen und bei denen keine Rückkoppelung zu der Zentraleinheit mit Ausnahme eine relativ einfachen Ein- und Ausschaltung erforderlich fet, die durch die erwähnte Schalterfunktion erzielt wird, wobei der Schalter 220 durch einen Befehl zu dem Roboterprozessor von der Zentraleinheit betätigt wird.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, enthält die an einem einfachen Greifwerkzeug vorgesehene Schaltung vorteilhafterweise ein Schieberegister 340 zur Übertragung und Identifizierung von Daten oder dergleichen Informationen. Zwei-Bit-Ausgangselemente 342 und 344 sind zugeordnet. Diese berichteten den ein- oder ausgeschalteten Zustand der Schalters 346 bzw. 348. Die Schalter selbst können durch irgendein Parameter wie die Temperatur (von einem Thermistor) oder durch die mechanische Lage eines Greiferglieds des G reif Werkzeugs betätigt werden.

Der Servomotor 346 kann dazu benutzt werden, ein Greiferglied zu öffnen oder zu schließen, um ein Gelenk zu drehen oder eine andere simulierte Handfunktion durchzuführen.

Die Leitungsbrücken 348 in irgendeiner gewünschten Anordnung der Datenfolge am Ausgang des Registers 340 bilden eine Einrichtung, rrit der die Identität des betreffenden Greifwerkzeugs oder dessen Schal tung (oder andere Statusangaben) an die Zentraleinheit zurückübermittelt werden kann.

Wenn Spannung an dem Schieberegister 340 angelegt und das Rückstellsignal

entfernt wird, wird das Register entsprechend seinem Zyklus durch Taktimpulse über die Leitung SYNC betätigt, so daß eine Serie von Ausgangssignalen über die Leitung DATA B an die Zentraleinheit gelangt, welche Eingangssignale von den Schaltern und Kodiereinrichtungen 346,348 und 350 wiedergibt. Diese Taktimpulse werden normalerweise mit einer wiederholten Sequenz fortgesetzt bis die Leitung Data B durch die Zentraleinheit über den Schalter 220 und den Mikroprozessor 212 zurückgestellt wird. Die Schaltung in Fig. 7 betrifft komplizierte Greifwerkzeuge, die mit demselben Roboterarm wie die Schaltung in Fig. 6 verbunden werden können. Bei dem Greifwerkzeug entsprechend Fig. ■7 sind die Verbindungsleitungen von der Zentraleinheit und dem Mikroprozessor 212 mit den Kontaktstiften eines Mikroprozessors 401 aus einem einzigen Chip verbunden. Ein derartiger Mikroprozessor (Intel 8748) ist ein 8-Bit-Mikrocomputer mit einem Schreib-/Lese-Speicher, einem Festwertspeicher und einem EPROM.

Wenn bei angelegter Spannung die Rückstellung beseitigt wird, überwacht der Prozessor die Leitung 404 (Data A), welche mit der Leitung 204 von der Zentraleinheit verbunden ist. Von der Zentraleinheit empfangene Befehle verursachen, daß der vorprogrammierte Mikroprozessor402 die Handfunktionen verursacht, die als drei unterschiedliche Servofunktionen (z.B. drück en, drehen und ausgießen) durch drei unterschiedliche Servomotoren 406, 408 und 410 identifiziert sind.

In der dargestellten Schaltung werden die Servomotoren für die Beendigung der befohlenen Bewegung durch einen Analog-Digital-Konverter 412 mit 6 Kanälen sowohl betätigt als auch überwacht.

Es ist zu beachten, daß die Anzahl der verfügbaren analogen Signale größer ist als für die Servomotoren erforderlich ist, wodurch eine Möglichkeit gegeben ist, Daten über die Leitung 420 von dem veränderlichen Wandler 422 zu erhalten, welche beirpielsweise eine fotoelektrische Einrichtung, ein Thermometer etc. sein kann.

Ein hauptsächlicher Unterschied zwischen der bevorzugten Arbeitsweise der durch die Schaltungen in Fig. 6 und 7 betätigten Greifwerkzeuge besteht darin, daß beim Start vorzugsweise keine Übertragung von Daten erfolgt. Die Schaltung des Greifwerkzeugs wartet auf eine Anforderung nach speziellen Daten.

Daraus ist ersichtlich, daß ein Manipulator entsprechend Fig. 5 und 6 ohne weiteres in die im Roboter vorgesehene Schaltung integriert werden kann und von der Verbindungseinrichtung entsprechend Fig. 1-4 aufgenommen werden kann.

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Fig. 8 dient zur Erläuterung einer vorteilhaften Schaltung gemäß der Erfindung. Eine CRT-Steuereinheit 805 liefert nach Befragung ihres Speichers und insbe sondere auch aller angesetzten Moduleinheiten einschließlich der Manipulatormoduleinheit 806 und der Robotermoduleinheit 820 unterschiedliche Adressen. Im allgemeinen enthalten die auswechselbaren Moduleinheiten Schreib-/I_ese-Speicher, F«st wertsteuer, E/A-Einrichtungen und Adressenregister, um die gewünschten Funktionen zu ermöglichen. In jedem Fall wird die Adresse im Hinblick auf die in den Speichern in den Moduleinheiten enthaltenen Informationen zugeordnet.

Bei Bedienung durch die Zentraleinheit zeigt jede Moduleinheit vorzugsweise an, wie häufig (d.h. wann zum nächstenmal) eine Bedienung verlangt wird, und erhält danach im Systemsteuerabschnitt 830 der Zentraleinheit den benötigten Zeitplan. Der Abschnitt 830 enthält eine ausreichende Rechen- und Kodierkapazität, um Konflikte zwischen verschiedenen Moduleinheiten zu vermeiden, die geeignete Prioritäten bestimmen. In dieser Weise arbeitet das System auf einer selbstkonformen Kodierungsbasis, und ist bereit zum Empfang von mehr Informationen von neuen auswechselbaren Moduleinheiten und ermöglicht, daß diese Informationen mit den anderen Anforderungen des Systems konform sind. Der gemeinsame Bus beim Ausführungsbeispiel inFig. 8 begünstigt diese Funktionsweise.

Obwohl die spezielle Roboterstruktur und das verwendete Steuerverfahren in Verbindung mit der automatischen Greifwerkzeug-Austauscheinrichtung gernäß der Erfindung nicht kritisch ist, soll in Verbindung mit den Hg. 9 - 14 ein Roboter und ein Steuersystem beschrieben werden, welche bevorzugte Ausführungsbeispiele betreffen.

Wie aus Fig. 9 und 10 ersichtlich ist, enthält der Roboter 1020 eine vertikale Führung 1022, die aus zwei vertikalen Führungsrohren 1024 besteht, sowie einen Drehtisch 1026, durch den die Führung 1022 um 306° gedreht werden kann.

An der Führung 1022 ist ein entlang der Führung verschiebbarer Träger 1028 für eirifD Arm 1030 angeordnet, der Öffnungen für die Führung aufweist, sowie eine weitere Öffnung, durch die der Arm 1030 hindurchragt.

Der Arm 1030 ist auf vier Sätzen von Rollenlagern abgestützt, die auf der Unterseite der Durchtrittsöffnung vorragen und nicht dargestellt sind, aber überlicherweise bei derartigen Einrichtungen verwendet werden, um eine Vor- und Rückbewegung durch den Träger 1028 auf den Lagern zu ermöglichen.

Die Bewegung wird durch drei motorgetriebene Kabelsysteme bewirkt, von denen

jedes Rollen für das Kabel enthält, eine Einrichtung zur Beibehaltung einer geeigneten Spannung der Kabel und eine Winde zur Betätigung der Kabel (Fig. 10). Die Winde ist zwischen den Enden des betreffenden Kabels angeordnet, so daß eine Bewegung der Winde (welche das Kabel mit mehreren Windungen umgibt) eine Ende des Kabels anzieht, während eine Zufuhr der Kabellänge erfolgt, die durch die integrierte Bewegung benötigt wird, welcher auf den Roboterarm durch die Summe der Wirkung aller drei Systeme mit einem Kabel und einer Winde ausgeübt wird. Die oberen Rollen 1032 und 1033 für das Kabelsystem sind in einem oberen Trägergehäuse 1036 aufgenommen. Die Rollen 1042 und 1043 für eine horizontale Armbewegung sind in Ausnehmungen des zentralen Trägers 1028 angeordnet.

Das Kabel 1050 dient zur Bewegung des Arms 1030 relativ zu dem Träger 1028. Ein Ende des Kabels ist an dem Arm 1030 in der Nähe dessen Ende befestigt. Das Kabel 1050 führt von einer anfänglichen Verankerungslage 1048 zurück über die Rolle 1043 nach unten um die horizontale oder zur Armbetätigung dienende Winde 1052, und ist um die Winde mit mehreren Windungen gewickelt, nach oben zu der Rolle 1053 geführt, nach unten zu der Rolle 1042 und zurück in die Verankerungslage 1054. Die Verankerungslagen sind derart ausgewählt, daß dadurch gewährleistet ist, daß sie nicht an der Rolle oder die Rolle tragenden Trägern während des gewünschten Bewegungsablaufs angreifen.

Der Träger 1028 wird in vertikaler Richtung in Abhängigkeit von der Bewegung eines Kabels 1060 bewegt, das an dem Träger in Verankerungslagen 1062 und 1064 befestigt ist. Eine Drehung der Winde 1066 verursacht, daß eine geeignete vertikale Führungsbewegung relativ zu den Führungsstangen 1024 erfolgt.

Jede Kombination von Motor, Getriebe, Winde und Potentiometer wird derart zusammengebaut, daß sich die einzelnen Teile zusammen bewegen. Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, ist der Motor 1080 für den Drehtisch auf einer gemeinsamen Welle mit dem Getriebe 1082 ausgerichtet, mit der Winde 1084 und dem Potentiometer 1086 unter dem Drehtisch 1090, welcher eine Platte 1092 aufweist und einen mit Ausnehmungen versehenen Umfang zur Aufnahme des Kabels 1062 für den Drehtisch.

Wie ferner aus Fig. 11 ersichtlich ist, in der dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 13 vorgesehen sind, ist ein horizontaler Motor 1360, ein Getriebe 1358, eine Winde 1052 und einPotentiometer 1332 vorgesehen. Wie ebenfalls aus Fig. 11 ersichtlich ist, enthält das vei+ikale Motorsteuersystem einen vertikalen Motor 1260, ein Getriebe 1250, eine Winde 1066 und ein Potentiometer 1232.

Die Winde 1066 ist auf einer gemeinsamen Welle verbunden, um sich mit einem Potentiometer 1232 und dem Getriebe 1258 des Motors 1260 zu drehen.

Die Winde 1358 ist auf einer gemeinsamen Welle verbunden, um sich mit einem Potentiometer 1332 und einem Getriebe 1358 des Motors 1360 zu drehen.

Die dargestellte Kabelanordnung ist besonders vorteilhaft bei Bewirkung der horizontalen und vertikalen Bewegung des Arms wegen der Verankerung mit dem Träger 1028. Bei einer derartigen Anordnung bewegt sich beispielsweise der Arm in horizontaler Richtung, wenn der Block sich nach unten bewegt, falls nicht die Horizontalbewegung dem Effekt entgegenwirkt. Diese Kabelan^ Ordnung mit Wechselwirkung trägt für eine glatte Steuerung des Roboters bei, wie im folgenden noch näher erläutert werden soll.

Fig. 13 zeigt die Arbeitsweise der Motoren. Im folgenden soll nur die Arbeitsweise in Verbindung mit den horizontalen und vertikalen Motoren erläutert werden, durch die ermöglicht wird, daß eine gewünschte Führung für den Roboterarm erzielt wird. Der Motor für den Drehtisch kann durch eine entsprechend ausgebildete Schaltung angetrieben werden.

Die Schaltung in Fig. 12 bezweckt die Erzeugung von drei modulierten Impulssignalen für eine vertikalen, eine horizontale und eine Drehbewegung des Roboterarms.

Irgendein geeigneter Steuercomputer 1200 ist über eine Bus-Schnittstelle 1202 mit einer Serie von drei digital programmierbaren monostabilen Multivibratoren verbunben. Diese Funktion ermöglichende Einrichtungen sind bekannt (Prospekt Intel Corporation "The 8086 Family User's manual, Oktober 1979 und "Component Data Catalog" Januar 1981). Die genaue, im folgenden beschriebene Anwendung ist jedoch bisher nicht bekannt.

Ein Oszillator 1204 ist mit den Takteingängen der Multivibratoren verbunden und hat eine Frequenz von etwa 1 Megahertz. Die Frequenz könnte jedoch entsprechend der maximalen Zählrate des betreffenden Multivibrators höher sein. Geringere Frequenzen könnten verwendet werden, obwohl dies im allgemeinen nicht wünschenswert ist. Derartige geringere Frequenzen verursachen eine Verringerung des Auflösungsvermögens oder eine Verringerung der Impulsfrequenz der modulierten Ausgangssignale.

Die Multivibratoren erzeugen einen Impuls, der proportional deren digitaler Eingangssignale bis zu einem maximalen Wert ist, der durch den Frequenzteiler-Zähler 1205 zugelassen wird, der ein 13-Bitzähler oder ein 8192-Dezimalzähler sein kann.

Der Prozentsatz der eingeschalteten Zeit (im Gegensatz zu der ausgeschalteten Zeit) der Ausgangsimpulse der Multivibratoren des Zeitgebers 11203 ist proportional den digitalen Eingabedaten und die Frequenz des Ausgangssignals ist gleich der Oszillatorfrequenz, geteilt durch die Frequenz des Frequenzteiler-Zählers. Diese Signale werden über eine Übertragungsleitung von dem Computer zu dem Betätigungsmechanismus für den Roboterarm übertragen, der schematisch in Verbindung mit den Bezugszeichen 1206, 1207 und 1208 dargestellt ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Informationskomponente des Signals die zeitliche Priorität hat und nichtdirekt von der Spannung oder dem Spannungsabfall in dem Kabel abhängt. Geeignete Impulsformen sind in Fig. 14 dargestellt. Diese Eingangssignale verursachen eine Änderung des Zustands

eines CMOS-Schalters 1210, der das Ausgangssignal von Bezugsspannung zu Erde über zwei Widerstände 1212 und 1214 umschaltet. Der Schaltvorgang wird durch einen Kondensator 1216 geglättet, an den ein integrierender Verstärker 1220 angeschlossen ist, dessen Zeitkonstanten die Wechsel Spannungskomponente aus den Impulssignalen ausfiltrieren.

Es ist zu beachten, daß Bezugsspannung (bei 1230) zu dem C-MOS-Schalter 1210 dieselbe wie die Bezugsspannung (bei 1230a) zu dem Rückkoppelungspotentiometer 1232 ist. Dies ist das Potentiometer, das direkt dem Motor und der Winde zugeordnet ist. Deshalb wird das Eingangssignal unabhängig von den erzeugten Spannungen, die sich von der Bezugsspannung unterscheiden. Da der Eingangsschalter 1210 und das Potentiometer 1232 beide die Bezugsspannung in ein Verhältnis setzen, ist diese Spannung selbst nicht kritisch, mit Ausnahme, daß keine beträchtliche Differenz zwischen der Bezugsspannung bezüglich des Eingabeschalters 1210 und dem Potentiometer vorhanden sein darf. Im Hinblick auf die Signalübertragung von dem Potentiometer 1232 ist der Schaltkontakt 1234 des Potentiometers 1232 mit einem Rückkoppelungs-Wiederholungsverstärker 1240 verbunden, der dazu dient, den Effekt der Belastung des Potentiometers 1232 minimal zu halten oder zu verringern. Ein über cfem Potentiometer angeschlossener Lastwiderstand würde normalerweise eine NichtJinearität des Rückkoppelungssignals verursachen, also eine unerwünschte Differenz zwischen dem Rückkoppeilungssignal und der tatsächlichen Lage des Potentiometers. Die Rückkoppelungsspannung wird dann zusammen mit der Eingangsspannung summiert, die eine entgegengesetzte Polarität aufweist, Die Differenz der Rückkoppelungsund Eingangsspannungen wird in einem Differenzverstärker 1250 verstärkt.

Das verstärkte Signal gelangt an einen Treiber 1252, der die erforderliche Spannung zürn Antrieb des Permanentmagnets-Gleichstrommotors liefert, der

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den vertikalen Servoantriebsmechanismus 1260 betätigt. Das stabilisierende Netzwerk 1256, das von dem Motoreingang zurück zu der summierenden Verbindungsstelle verbunden ist, verhindert eine Oszillation des gesamten Systems. Derartige stabilisierende Netzwerke sind an sich bekannt.

Das Getriebe 1258 hat ein verhältnismäßig hohes Übersetzungsverhältnis, durch das die Anhebekraft erhöht wird. Gleichzeitig wird dadurch jedoch die Vertikalgeschwindigkeit des Motors begrenzt, welcher die vertikale Anhebebewegung verursacht und damit die Geschwindigkeit der Anhebebewegung des Roboterarms. Dies ergibt den Vorteil, daß das horizontale Servosystem 1334 - 1360 die Lage der vertikalen Bewegung mit minimalem Fehler bewirken kann und die Kraft liefert, die für die vertikale Servobewegung zum Anheben einer großen Masse erforderlich fet.

Der Gleichstrommotor 1260, das Getriebe 1258, die Rolle 1066 und das Potentiometer 1232 sind mit einer gemeinsamen Welle verbunden. Deshalb ist die Lage der vertikalen Bewegung direkt mit dem Motor 1260 und dem Potentiometer 1232 gekoppelt bzw. verriegelt.

Fig. 14 zeigt die Verarbeitung der Impulssignale zu dem horizontalen Steuersystem 1300. Das Eingangssignal geht durch denselben Prozeß hinsichtlich Umschaltung von Bezugsspannung zu Erde durch die Widerstände, die in Serie mit diesen Leitungen geschaltet sind, und wird durch den integrierenden, invertierenden Verstärker 1220 geglättet, wie bei der Schaltung für die vertikale Bewegung. Die resultierende Gleichspannung wird zusammen mit der Rückkoppelung von dem Potentiometer 1334 und zusammen mit einem Signal summiert, das umgekehrt proportional zu dem Rückkoppelungssignal von dem vertikalen Potentiometer 1232 durch ein invertierendes Potentiometer 1400 ist. Dieses Signal verursacht, daß die horizontale Servoeinrichtung 1360 eng die Lage der vertikalen Servoeinrichtung 1260 verfolgt, so daß das Kabelsystem zur Steuerung des Arms eine einfache Konstruktion aufweisen kann. Wenn der Arm angehoben wird, muß das horizontale Kabel 1060 genau synchron damit bewegt werden, eternit ejn an dem Arm 1030 angeordnetes Werkzeug sich direkt nach oben bewegt. Das Umgekehrte ist der Fall, wenn der Arm 1030 nach unten bewegt wird. Um dies zu erzielen, hat das horizontale Getriebe 1358 ein geringeres Übersetzungsverhältnis, das höhere Geschwindigkeiten in der horizontalen Richtung ermöglicht, weshalb ein schnelleres Ansprechvermögen als bei dem vertikalen Getriebe 1258 vorhanden ist. Dies ist zulässig und zweckmäßig, weil der horizontale Arm 1030 keine Masse anheben muß.

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Deshalb sind die auf die Kabel und die Rollen ausgeübten Kräfte geeignet niedrig, obwohl eine relativ schnelle Bewegung des Arms in einer horizontalen Richtung möglich ist. Die horizontale stabilisierende Schaltung wird für die verschiedenen Geschwindigkeiten optimiert.

Claims

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- 17 Patentansprüche

J Robotersystem mit einer Computersteuerschaltung, einem in Abhängigkeit von der Computersteuerschaltung angetriebenen Roboterarm, sowie mit einem an dem Roboterarm angeordneten Manipulator, dadurch gekennzeichnet, daß das Robotersystem einen Mikroprozessor zum Empfang und zur Übermittlung von Signalen zu der Computersteuerschaltung enthält, und daß der Mikroprozessor eine Einrichtung zur Übermittlung von Daten zu dem Manipulator aufweist, welche Daten für die Arbeitsweise von mindestens einem Steuermotor an dem Manipulator enthält, sowie zum Empfang von Ausgangsdaten von den Manipulatoren.
2. Robotersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor einen programmierbaren Zähler enthält, der zur Erzeugung einer analogen Impulsbreite für eine Übertragung zu dem Manipulator dient.
3. Robotersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Roboterarm eine elektrische und mechanische Verbindungseinrichtung zur Aufnahme und Freigabe einer Mehrzahl von unterschiedlichen Manipulatorkomponenten aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Roboterbewegung und die Steuerung eines Servomotors in ^J dem Greifwerkzeug über einen Mikroprozessor und einen Generator für eine analoge Impulsebreite koordiniert sind.
5. Manipulator ,der eine schnelle Verbindung mit einem Roboterarm ermöglicht, welcher Manipulator mindestens einen Steuermotor und eine Schaltung trägt, um mindestens eine der folgenden Funktionen zu erzielen:

a) Betätigung des Motors,

b) Identifizierung des Manipulators,

c) Lieferung eines Signals von einem Wandler und dessen Umwandlung in ein durch einen Computer lesbares digitales Signal,

d) Identifizierung des Zustands einer Ein-Ausschaltfunktion in Verbindung mit einem Schalter oder Wandler.
6. Manipulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Motor ein Servomotor ist und eine Einrichtung zur Lieferung eines Analogsignals zur Betätigung des Motors enthält.
7. Werkzeugeinheit zur Verwendung in Verbindung mit einem Roboter, welches Werkzeug a) eine Roboter-Verbindungseinrichtung Unteranordnung und b) eine mit der Unteranordnung verbindbare Werkzeuganordnung enthält und wobei die Unteranordnung und die Werkzeuganordnung jeweils eine zusammenwirkende Verriegelungseinrichtung enthalten, die eine Verriegelungsverbindung zwischen der Unteranordnung und der Werkzeuganordnung in Abhängigkeit von einer in einer Richtung erfolgten Bewegung der Roboteranordnung bildet.
8. Anordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Roboter und die Werkzeuganordnung eine elektrische Verbindungseinrichtung enthalten, und daß die Werkzeuganordnung einen Motor enthält, der auf ein elektrisches Steuersignal durch den Roboter anspricht.
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

der Roboter und die Werkzeuganordnung eine verbindende elektrische Leitungseinrichtung aufweist, und daß die Werkzeuganordnung eine Kodierungseinrichtung aufweist, welche eine Einrichtung für eine Übertragung durch den Roboter bildet, um Informationen zu übertragen, die spezifisch für die Identität und den Zustand der Werkzeugeinrichtung sind.
10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodiereinrichtung ein Nur-Lese-Speicher ist.
11. Anordnung nach Anspruch 7, 8 9 oder 10, dadurch geke η η zeichnet , daß das'Werkzeug eine Schaltung und Verbindungseinrichtung zur Vereinfachung der elektrischen Übertragung und Information enthält, welche den Zustand der Schaltung betreffen, für eine Übertragung von der Schaltung durch elektrische Leitungen in der Roboter-Verbindungseinrichtung-Unteranordnung.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug zusätzlich eine Verbindungseinrichtung zur Übertragung von Informationen, welche den Zustand der Schaltung betreffen, zu einer Zahnstangeneinrichtung für das Werkzeug aufweist.