DE3504954A1 - Programmierbarer manipulator - Google Patents

Programmierbarer manipulator

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DE3504954A1
DE3504954A1 DE19853504954 DE3504954A DE3504954A1 DE 3504954 A1 DE3504954 A1 DE 3504954A1 DE 19853504954 DE19853504954 DE 19853504954 DE 3504954 A DE3504954 A DE 3504954A DE 3504954 A1 DE3504954 A1 DE 3504954A1
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Lothar Dipl.-Phys. Dr. 8031 Gilching Schmieder
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/42Recording and playback systems, i.e. in which the programme is recorded from a cycle of operations, e.g. the cycle of operations being manually controlled, after which this record is played back on the same machine
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
    • G05B2219/37Measurements
    • G05B2219/37396Tactile feedback, operator feels reaction, force reflection

Description

  • Beschreibung
  • Anmeldungsgegenstand ist ein Verfahren zur Führung von Manipulatoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Manipulatoren sind Arbeitsarme mit Antriebseinheiten, Motorsteuerungen mit Geschwindigkeits- und Positionsregelung, die eine Punkt- oder Bahnsteuerung ermöglichen, Positionsgebern, taktilen Sensoren, Näherungssensoren und einer frei programmierbaren Steuerung, bestehend aus einem Programmspeicher und digitalen sowie analogen Recheneinheiten. Taktile Sensoren können Kräfte und/oder Momente messen und werden auch als Kraftmomentfühler bzw. Kraftmomentsensoren bezeichnet. Geführt werden die hier zu betrachtenden Manipulatoren entweder über einen Kraftmomentsensor (Sensorgriff), der vom Operateur mit Kräften und/oder Drehmomenten beaufschlagt wird, die über ein Regelgesetz in Geschwindigkeiten des Manipulatorarmes umgesetzt werden oder über einen zum Arbeitsarm geometrisch ähnlichen Steuerarm, der die vom Operateur ausgeführten Bewegungen auf die Bahnsteuerung des Arbeitsarmes überträgt, wobei die vom taktilen Sensor gefühlte Reaktionskraft, die bei Kontakt des Manipulators mit der Umgebung auftritt, in den Handgriff des Steuerarmes reflektiert wird, wie in der DE 30 45 094 Al beschrieben. Damit wird die Manipulatorfuhrung reaktiv, da der Operateur die Reaktionskraft spürt, auch im Falle der Kraftsteuerung über einen Sensorgriff. Es gibt auch Manipulatoren, die direkt mit der Hand geführt werden, wie z.B. Spritzroboter, wobei es zweckmäßig sein kann, wenigstens die schweren Teile über einen Kraftsensor zu führen, wie in der GB 20 60 204 A angegeben. In Sensorgriffen fungiert der taktile Sensor als aktiver Sensor, bei der Messung von Reaktionskräften hingegen als passiver Sensor.
  • Ferner ist vorgesehen, mit dem Manipulator eingeübte Vorgänge als Arbeitsprogramme zu speichern, die dann beliebig oft abgerufen und wiederholt werden können. In diesem Fall fungiert der Manipulator als Roboter. Die wichtigsten funktionalen Zusammenhänge werden im folgenden durch Matrizengleichungen beschrieben.
  • Die auf den Sensorgriff aufgebrachten Kräfte K und Momente M werden durch Multiplikation der Sensormatrix K st mit dem Vektor der elektrischen Ausgangsspannungen u ermittelt, wie unter anderem in der US-PS 4 156 835 beschrieben.
  • Die Verschiebungen dx und Verdrehungen d # der Manipulatorhand werden durch Multiplikation der Jakobischen Matrix J mit dem Vektor der Gelenkverdrehungen (gemeint sind die Manipulatorgelenke) d# berechnet. dx, d# sind auf eine raumfeste kartesische Basis bezogen, dx, d* auf eine körperfeste Basis, die im allgemeinen der Manipulatorhand einbeschrieben ist.
  • (3) dx* = A dx, (3) d#* = A d#.
  • Die Vektoren dx, dX und dx*, d#* werden ineinander mit Hilfe der Lagematrix A umgerechnet. Die Matrizen J und A sind aus der Literatur bekannt, in vielen Fällen sogar in geschlossener Form (s. L. Schmieder "Die Kinetik von rechnergesteuerten Manipulatoren und Industrierobotern", Techn.
  • Verlag Resch KG, 8032 Gräfelfing, 1983).
  • Das Regelungsgesetz für eine skalare Größe, z.B. für den Winkel t1 des Drehgelenks (23) (Fig. 5) hat die allgemeine Form (s. DE 31 39 431) in der s die Regelabweichung, f(8) das Regelungssignal (z.B. für die Ankerspannung eines Elektromotors) bedeutet.
  • Streicht man in (4) alle Glieder auf der rechten Seite bis auf das mit a3 behaftete, so entsteht eine geschwindigkeitsproportionale Regelung, die sehr stabil ist, weil in ihr nur dissipative Kräfte auftreten. Die erfindungsgemäße Anwendung auf einen Manipulator besteht nun darin, daß eine Komponente des Kraftmomentsensors als Regelungssignal gedeutet und ihr auf der rechten Seite von (4) eine Gelenkwinkelgeschwindigkeit zugeordnet wird, z.B.
  • K1 = 1/α#1 (4.1) und daß anschließend alle Gleichungen (4.1) zu einer Vektorgleichung zusammengefaßt werden, die auf der linken Seite den (6-dimensionalen) Gelenkdrehungsvektor #, auf der rechten Seite den Kraftmomentvektor enthält: a, ß sind meist Diagonalmatrizen. Mit Hilfe der Jacobischen Matrix J aus (2) kann Vektor t auf der linken Seite durch den Geschwindigkeitsvektor x'und den Drehungsvektor der Hand ersetzt werden: a, ß sind meistens Konstante. Eine ähnliche Beziehung besteht für die Vektoren x* und *.
  • Wird der Sensorgriff als Kugel ausgebildet, wie in der DE 3 240 251 Al - Fig. 3,4,5,6 vorgeschlagen, so kann der Operateur Kräfte und Momente getrennt voneinander aufbringen, so daß ein 6-dimensionaler Steuerknüppel entsteht, insbesondere wenn ein Kraftmomentsensor nach DE 27 27 704 C3 verwendet wird. Es muß dann (s. Fig. 1) der Ursprung des sensoreigenen Koordinatensystems 16 in den Mittelpunkt der Kugel 3 gelegt werden, was mit Hilfe der Hebelgesetze des Archimedes immer dann möglich ist, wenn Kugelgriff und Sensor fest miteinander verbunden sind, ohne daß der Sensor körperlich im Innern der Kugel liegen muß.
  • Bezüglich der Platzierung des Sensorgriffes sind zwei Anordnungen möglich: (1) Raumfeste Anbringung (an einem Tisch oder am Programmierbrett), (2) körperfeste Anbringung, vorzugsweise am Handgelenk des Manipulatorarmes. Dort wird meist auch der passive Sensor angebracht, der bei mechanischem Kontakt mit dem Werkstück die Reaktionskraft/Moment misst.
  • Bei der Anordnung (1) werden die Führungskraft K5011 vom Sensorgriff, die Reaktionskraft Kreakt vom passiven Sensor gemessen. Bei der Anordnung (2) vereinigt man zweckmäßig Sensorgriff und passiven Sensor zu einem Tandemsensor und bringt diesen am Handgelenk des Manipulators an (Fig. 1).
  • Der am Handgelenk 1 befestigte aktive Sensor 2 trägt am unteren Ende die Zwischenscheibe 15, die wiederum fest mit dem Handgriff 3 und dem passiven Sensor 4 verbunden ist. Dieser trägt am unteren Ende die Greifzange 5 mit der Last 6. Das Gewicht der Last 6 (die statische Grundlast Ko) kann weggeeicht werden, d.h. Ko wird gespeichert und von allen nachfolgenden Messungen abgezogen.
  • Gelingt es, anschließend die Beschleunigungen der Hand niedrig und die Orientierung der Hand konstant zu halten, so werden beide Sensoren die Kräfte K1 = K2 = 0 messen.
  • Können diese Bedingungen nicht eingehalten werden, so müssen die dann auftretenden Störkräfte/Momente durch Rechnung und zusätzliche Messungen eliminiert werden, wie in der GB 2 060 204 beschrieben. Die bei Kontakt mit der Umwelt auftretende Reaktionskraft wirkt auf beide Sensoren 2 und 4. Um aus den Sensormessungen K1, K2 die Kräfte # # Ksoll und Kreact zu ermitteln, bedarf es zusätzlicher Überlegungen.
  • Am Sensor 2 greifen Ksoll und Kreact am gleichen (unteren) Ende an, am Sensor 4 jedoch an verschiedenen Enden. Die Sensoren 2 und 4 messen daher die Kräfte K1 = Kreakt + Ksoll, (6) Kreakt - K5011 und hieraus folgen die Formeln die sowohl bei freier Bewegung als auch bei Kontakt des Manipulators mit der Umgebung gilt. Analoge Formeln gelten für die Drehmomente.
  • Das Regelgesetz des Manipulators hat, mit Bezug auf (4.3), bei Abwesenheit von Reaktionskräften folgende Form: = αKsoll -4 (7) # = ßMsoll.
  • Diese Vorschrift erscheint als die natürliche Verallgemeinerung der bei Robotern heute üblichen Steuerung durch Druckknöpfe. Man beachte jedoch, daß hier nicht skalare Größen (jedem Druckknopf ein) einander zugeordnet werden, sondern Vektoren, die in weiten Grenzen beliebige Richtung und Stärke annehmen können, was nur mit Hilfe des Sensorgriffes möglich ist. Für den Fall, daß auch Reaktionskräfte/Momente auftreten, muß obiges Gesetz erweitert werden: x = αKgesamt, # = ßMgesamt,, (7.1) Kgesamt = Ksoll + Kreakt, Mgesamt = Msoll + Mreakt Die Regelvorschrift (7) bzw. (7.1) kann z.B. folgendermaßen realisiert werden. Aufgrund der Sensormessungen habe der übergeordnete Mikroprozessor die Geschwindigkeitsvektoren #, # , berechnet. Mit Hilfe der Jacobischen Matrix J in (2) folgen hieraus die Drehgeschwindigkeiten die anschließend der Geschwindigkeitsregelung der Elektromotore direkt vorgegeben werden. Wenn dem übergeordneten Rechner nur die Positionsregelung der Motorsteuerungen zugängig ist, so können auch in gleichmäßigen Zeitabständen t die Positionen # (O), e(t), t (2#t) usw. vorgegeben werden, was in der Wirkung auf dasselbe hinausläuft.
  • Beim heutigen Stand der Technik sind die Rechengeschwindigkeiten der Mikroprozessoren hoch genug, um Zeitabstände = = 20 Millisekunden zu ermöglichen.
  • Wenn im folgenden nur von Kräften gesprochen wird, dann unter der stillschweigenden Voraussetzung, daß die analogen Formeln für die Momente leicht abgeleitet werden können.
  • Der Manipulator kommt zur Ruhe, wenn die Gesamtkraft/Moment in (7.1) Null wird. In diesem Zustand des statischen Gleichgewichts spürt der Operateur im Sensorgriff die Reaktionskraft. Wenn aber kein Gleichgewicht herrscht (Kgesamt # 0), dann gehorcht der Manipulator dem Prinzip von Le Chatelier, d.h. er weicht in Richtung der auftretenden Zwangskraft aus.
  • In den Figuren 2 und 2a sind die Vorgänge wiedergegeben bei Kontakt des Tastelements mit einem Widerstand. Die Sollkraft drückt das Tastelement z.B. in Form einer Tastkugel 7 mit der Kraft Kreakt gegen die Oberfläche der Umgebung 8 und bewirkt gleichzeitig eine Bewegung in tangentialer Richtung, wenn die tangentiale Komponente von Ksoll größer ist als die Reibungskraft/uKreakt (/u = Reibungskoeffizient), die ebenfalls vom passiven Sensor gemessen wird (s. Krafteck gemäß Fig. 2a). Es ist auch möglich, ohne den Sensorgriff auszukommen. In einem auf der 48. Tagung der SGA (Schweizerische Gesellschaft für Automation) an der ETH Zürich, März 1980, gehaltenen Vortrag (L. Schmieder: "Die Zusammenarbeit von Tastsensoren, Prozeßrechnern und Robotern") ist das Programm "Le Chatelier" beschrieben worden, bei dem K,,11 und der Weg auf der Werkstückoberfläche vorgegeben sind, und zwar per Programm, während die Reaktionskraft vom passiven Sensor gemessen wird.
  • Das Gebiet, in dem der Sensor Signale abgibt, ist als Sensorbereich bezeichnet. Beim taktilen Sensor ist dieser Bereich nur wenige Millimeter dick, entsprechend den elastischen Verformungen des Manipulatorarmes. Gewöhnlich schreibt man einen maximalen Anpreßdruck vor, der aus Genauigkeitsgründen nicht überschritten werden darf. Diesem Druck entspricht eine sehr niedrige Geschwindigkeit bei der Kontaktaufnahme, da nur eine sehr kleine Bremsstrecke zur Verfügung steht. Sobald der Manipulator mit der Umgebung Kontakt bekommt, tritt bei weiterem Eindringen in den Sensorraum die Reaktionskraft -$ Kreakt = yx (8) auf, die der Führungskraft K5011 entgegenwirkt. x ist die Eindringtiefe, y die Steifigkeit des Systems Roboter-Werkstück und hat die Größenordnung 1 bis lo kp/mm.
  • Um die freie Geschwindigkeit der Manipulatorhand (vor der Kontaktaufnahme) zu erhöhen, kann dem taktilen Sensor ein Näherungssensor, dessen Bereich einige Zentimeter tief ist, vorgeschaltet werden. Derartige Sensoren messen Abstände berührungslos. Bekannt sind D-Feldsensoren, bei denen das Meßobjekt eine Änderung des elektrischen Feldes verursacht, induktive Sensoren, bei denen eine Änderung des magnetischen Feldes gemessen wird, optische Sensoren und nach dem Radarprinzip arbeitende Ultraschallsensoren. Näherungssensoren sind stets passive Sensoren. In dem Näherungsbereich 18 (s. Fig. 6) kann eine sehr viel höhere Geschwindigkeit abgebremst werden als in dem schmalen Bereich 19 des taktilen Sensors. Um diesen Bremseffekt zu erreichen, wird dem Näherungssensor erfindungsgemäß eine fiktive Steifigkeitskonstante Yappr zugeordnet, die eine fiktive Reaktionskraft Kreakt appr = -γapprxappr (8.1) generiert. Der Sachverhalt wird qualitativ gemäß Fig. 6 erläutert. Der Einfachheit halber wurde nur der eindimensionale Fall betrachtet. Die Sollkraft ist jetzt senkrecht zur Oberfläche gerichtet. Nach Kontaktaufnahme mit der Oberfläche wird die Bewegung im Sonsorraum durch eine Differentialgleichung beschrieben, die durch Einsetzen von (8) in (7.1) entsteht: = (Ksoll+Kreakt) = α(Ksoll-γx) (8.2) Die Integration dieser Gleichung liefert die Eindringtiefe, die Eindringgeschwindigkeit und -beschleunigung als Funktionen der Zeit: Die für den Ablauf charakteristischen Konstanten sind 1 T = , Zeitkonstante αγ x#= Ksoll/r ' maximale Eindringtiefe (8.4) xo = αKsoll freie Geschwindigkeit xo = xo/T = α²γKsoll maximale Beschleunigung.
  • Die Gleichungen (8.4) erlauben die Auslegung des Systems.
  • Nachdem die maximale Anpreßkraft Ksoll gewählt ist, folgt aus der 4. Gleichung die Geschwindigkeitskonstante a, da die maximale Beschleunigung durch die Manipulatorkonstruktion bestimmt ist, die im wesentlichen auch den Wert von y festlegt. Die weiteren Konstanten folgen dann zwangsläufig aus (8.4).
  • Numerisches Beispiel Die Vorgabewerte Ksoll = 1 kp, xO = looo mm/sec2> Y = 1 kp/mm (8.5) liefern die Konstanten T = 1/(αγ) = o,o3 sec, Xo = Ksoll = 31,6 mm/sec x# = Ksoll/γ = 1 mm.
  • Wie aus Fig. 3 zu versehen ist, läuft das System asymptotisch in den Endwert xα α ein, der praktisch nach drei Zeitkonstanten erreicht ist.
  • Nunmehr wird dem taktilen Sensor ein Näherungssensor vorgeschaltet (s. Fig. 6) und zunächst das Verhältnis der beiden Geschwindigkeiten X = xappr/xo vorgegeben, während Ksoll und die maximale Beschleunigung xo gleich bleiben.
  • Dann folgen aus (8.4) die neuen Konstanten αappr xappr = X >1 α xo o = i/x 2 Y Tappr = X xappr = X² x# An der Grenze beider Sensorbereiche soll die Geschwindigkeit stetig sein. Dann besteht nach (8.3) die Beziehung x(t1) = αapprKsolle-t1/Tappr = αKsoll = xo aus der die Bremszeit t1 und der Bremsweg Xbrems (s. Fig.6) berechnet werden können: t1/t = X log X, (8.8) xbrems = x(t1)=xappr(1-e-t1/Tappr) = x##(#-1).
  • t1 und Xbrems verkürzen sich beträchtlich, wenn man im Vorfeld mit maximaler Beschleunigung xo bremst. Näherungssensoren mit fiktiver Steifigkeit sind auch ohne nachgeschalteten taktilen Sensor brauchbar, nämlich zur Anzeige von Hindernissen. Nähert sich die Manipulatorhand einem Hindernis, so spürt der Operateur die fiktive Reaktionskraft im Sensorgriff und kann das Hindernis vermeiden.
  • Sind mehrere Näherungssensoren in die Hand; eingebaut, so ist die Regelungsvorschrift (7.1) dahingehend abzuändern, daß die einzelne Reaktionskraft zu ersetzen ist durch die Resultierende aller Reaktionskräfte: = α(Ksoll + Kres) = αKgesamt (8.9) Kres = Kreakt1+ ... Kreaktn Ist die Führungskraft Null und befindet sich die Manipulatorhand im Sensorbereich mehrerer Hindernisse, so sucht sich der Manipulator selbständig einen Weg in den freien Manipulatorraum. In dem Beispiel (s. Fig. 4) befindet sich die Manipulatorhand 11 zwischen zwei Hindernissen 9 und lo, deren Bereichsgrenzen durch die Kreise 13, 14, die sich im Punkt 12 schneiden, gegeben sind. Die Resultierende der fiktiven Kräfte K1, K2 treibt die Manipulatorhand in mehreren Schritten zum Punkt 12.
  • Näherungssensoren können auch an anderen Stellen als an der Manipulatorhand angebracht werden. In diesem Fall werden die fiktiven Reaktionskräfte erfindungsgemäß mit Hilfe des Prinzips der virtuellen Arbeit in die Manipulatorhand hinein projiziert. Im Beispiel (s. Fig. 5) sind an den Punkten X1, x2 des Manipulatorarmes Näherungssensoren angebracht, die das Hindernis 2c erkennen, solange sie sich innerhalb des Kreises 21 befinden. Die fiktiven Steifigkeiten der Näherungssensoren erzeugen die fiktiven Reaktionskräfte K1 und K2. Diese sollen mit der Resultierenden -Kres, die an der Manipulatorhand angreift, im Gleichgewicht stehen. Dann besteht für die virtuellen Arbeiten die Gleichung 1 2 Kres.dx=K1dx + K2dx. (9) Die virtuellen Verrückungen dx, dx1,2 müssen mit dem System verträglich, d.h. auf die Verdrehungen df1, d#2 zurückführbar sein, so daß (9) in Koordinatenschreibweise folgende Gestalt annimmt (im folgenden soll über doppelt auftretende Indices automatisch summiert werden) i = 1,2 ; 1 = 1,2.
  • Nach Fig. 5 haben die Kräfte und die Ortsvektoren des Manipulators die Form (die Winkel sind im absoluten System, dessen Ursprung in 20 liegt, gemessen).
  • K1 = K1 [cos#1 sin#1] (9.11) K2 = K2 [cos#2 sin#2] , x=-r [1 - sin#1 - sin#2, 1 + cos#1 + cos#2], 1 sin#1 cos#1 x=-r [1 - , 1 + ], (9.12) 2 2 2 sin#2 cosγ2 x = -r [1- sin#1 - 1 + cos +].
  • 2 2 ist die Drehung des Gelenks 23, ç 2 diejenige des Gelenks 24. Die Manipulatorhand befindet sich im Ziel 25.
  • Durch Differenzieren folgen aus (9.12) die Jacobischen Matrizen.
  • Da die dyi-Werte voneinander unabhängig sind, muß jede Klammer in (9.1), die nichts anderes darstellt als das auf das Gelenk 1 wirkende Drehmoment, für sich verschwinden. Es sei # 1 = #2, so daß die Gleichungen (9.1) nach den Ki aufgelöst werden können, dann ergibt das nachfolgende numerische Beispiel mit den Werten Bei Vorhandensein eines weiteren Gelenks #0 (Fig. 4) wäre für alle Gelenke kein Gleichgewicht mehr möglich, die Matrix J wird dann rechteckig:
    Kres | J | = µ . (9.4)
    Eine einfache Abhilfe wäre in diesem Fall, d 0 = O zu setzen, so daß sich an der bisherigen Rechnung nichts ändert, falls das Ziel 25 nahe genug liegt. Ist das Ziel jedoch so weit entfernt, daß die beiden äußeren Arme zu einer Geraden gestreckt werden müssen, so muß # o beweglich gemacht werden, während die Gleichheit von #1 und # 2 erhalten bleiben kann. Dann liegt wieder dasselbe Problem mit den neuen Winkeln # 2 und # O vor.
  • Einschränkende Bedingungen können auch in Form von Gleichungen vorliegen. So lauten z.3. für einen Sechsgelenkroboter die Bedingungen, daß die Orientierung der Hand konstant bleiDen soll mit Bezug auf (2) Jjld#1 = 0 (9.5) j = 4 bis 6, l = 1 bis 6.
  • Diese Gleichungen sind nun mit Lagrangeschen Parametern zu versehen und in die Gleichungen (9.1) einzubringen: (KiJil - µ1 - #jJjl=d#1 = 0, (9.6) i = 1 bis 3 j = 4 bis 6, l = 1 bis 6.
  • Zunächst werden aus den letzten drei Gleichungen (1 = 4, 5, 6) die hj als lineare Funktionen der Ki bestimmt und in die ersten drei Gleichungen (1 = 1, 2, 3) eingesetzt, die dann außer den Ki nur bekannte Größen enthalten. Die einfache Rechnung sei nicht weiter ausgeführt.
  • Liegen keine einschränkenden Bedingungen vor, so können die Gleichungen (9.4) mit Hilfe der Pseudoinversen aufgelöst werden. Man multipliziere (9.4) mit der Transponierten von J und invertiere anschließend die dabei entstehende Gaußsche Matrix G:
    K J JT = K G = µ JT
    K = µ JT G-1 (9.7)
    Aus den drei genannten Beispielen geht hervor, daß es immer möglich ist, mehreren an einem Manipulatorarm in verschiedenen PunlLten angreifenden Kräften eindeutig eine Resultierende zuzuordnen. Damit ist es auch möglich, die Gesamtkraft zu Null zu machen und damit den Manipulator zum Halten zu bringen oder ihn in eine bestimmte gewünschte Richtung zu drängen, denn nach dem Prinzip von Le Chatelier weicht die Manipulatorhand stets in Richtung der Gesamtkraft aus.
  • Wird der Manipulator sich selbst überlassen, wird er selbständig aus den Sensorbereichen in einen freien Bereich fliehen und dort stehen bleiben. Wird dem Manipulator eine feste Richtung oder ein Ziel vorgegeben, so wird er selbständig in diese Richtung laufen und dabei Hindernissen, die er auf seinem Weg antrifft, ausweichen. Für das Speichern derartiger Bewegungsabläufe wird es einerseits notwendig sein, neben den Bahnen auch die Sensormessungen zu registrieren, andererseits wird es in vielen Fällen genügen, bei sonsorüberwachten Bahnen nur den Anfangs- und Endpunkt zu speichern. Schließlich besteht für schwierige Arbeitsgänge die Möglichkeit, gespeicherte und im Wiederholungsfall angezeigte Sensormessungen zu vergleichen, was eine laufende Qualitätskontrolle ermöglicht.
  • Nimmt man Abweichungen vom idealen Verhalten in Kauf, so können an dem hier beschriebenen Konzept Vereinfachungen vorgenommen werden, z.3. genügt es für viele Zwecke, nur den Eintritt der Manipulatorhand in den Sensorbereich zu registrieren und anschließend die Bewegungen gesteuert nach den Gleichungen (8.3) ablaufen zu lassen. Diese Methode spart Zeit und ermöglicht es, die teuren Sonsoren durch einfachere Geräte, z.B. Endschalter, Lichtschranken usw., zu ersetzen. Bei Verwendung sehr schneller Rechner ist es möglich, den Eintritt der Manipulatorhand in den Sensorbereich rechnerisch zu ermitteln, so daß Näherungssensoren ganz weggelassen werden können0 Der Übergang von der Bahnzu einer Punktsteuerung ermöglicht es, auch einfache Handhabungsgeräte in das vorliegende Konzept einzufügen. Zum Schluß sei darauf hingewiesen, daß das vorliegende Konzept die Möglichkeit offen läßt, zwei Arbeitsarme zu benutzen, die von zwei Sensorgriffen oder von zwei Steuerarmen aus geführt werden.
  • - L e e r s e i t e -

Claims (5)

  1. Programmierbarer Manipulator PatentansPrüche 1. Programmierbarer Manipulator mit Punkt- oder Bahnsteuerung, bestehend aus einem Arbeitsarm mit Antriebseinheiten, Motorsteuerungen, Positionsgebern, Kraftmomentsensoren, Näherungssensoren und einer frei programmierbaren Steuerung, bestehend aus einem Programmspeicher und digitalen sowie analogen Recheneinheiten, der entweder von einem Kraftmomentsensor ausgeführt wird, welcher vom Operateur mit Kräften und/oder Drehmomenten beaufschlagt wird, oder von einem Steuerarm aus, der geometrisch ähnlich zum Arbeitsarm gebaut ist und seine Position auf den Arbeitsarm überträgt, oder der vom Operateur mit der Hand geführt wird, wobei der Operateur in allen Fällen die von den passiven Sensoren gemessenen Kräfte/Momente in seiner Hand fühlt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß (a) den Näherungssensoren fiktive Steifigkeiten zugeordnet werden, die fiktive Reaktionskräfte generieren, welche genau so wie die tatsächlichen von den taktilen Sensoren gemessenen Reaktionskräfte ein tieferes Eindringen der Manipulatorhand in den Sensorbereich verhindern, (b) die an anderen Stellen als an der Manipulatorhand angreifenden Reaktionskräfte/Momente mit Hilfe des Prinzips der virtuellen Arbeit (Fig. 5) in die Manipulatorhand projiziert werden, (c) alle Reaktionskräfte/Momente und die auf den Sensorgriff ausgeübte Führungskraft durch Vektoraddition (ähnlich wie in Gleichung 8.9 angegeben) zu einer Gesamtkraft/Moment vereinigt werden (Fig. 2), (d) die Gesamtkraft/Moment nach einem geschwindigkeitsproportionalen Regelgesetz (ähnlich wie in Gleichung 7.2 angegeben) für den Antrieb der Manipulatorhand einen Geschwindigkeits/Drehgeschwindigkeits-Vektor erzeugt, die sowohl auf eine raumfeste als auch eine körperfeste Basis bezogen sein können, (e) zwecks Erhöhung der freien Geschwindigkeit der Manipulatorhand dem taktilen Sensor ein Näherungssensor (Fig.6) vorgeschaltet wird, dessen fiktive Reaktionskraft im Vorfeld (18) diese erhöhte Geschwindigkeit abbremst und (f) einige der Näherungssensoren zur Anzeige von Hindernissen benutzt und so dimensioniert werden, daß ihre fiktive Steifigkeit Kollisionen des Manipulators mit den Hindernissen vermeidet.
  2. 2. Programmierbarer Manipulator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß (a) die statische Grundlast durch eine Neueichung des passiven Sensors eliminiert wird, (b) bei Verwendung eines körperfesten Tandemsensors (Bild 1) die auf den Sensorgriff (3) ausgeübte Führungskraft/Moment und die auf die Last (6) wirkende Reaktionskraft/Moment durch Bilden der vektoriellen Summe und Differenz der von den Sensoren (2) und (4) gemessenen Kräfte/Momente ermittelt werden.
  3. 3. Programmierbarer Manipulator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß (a) einige oder alle Sensoren durch einfachere Geräte, wie z.B. Endschalter, Lichtschranken, ersetzt werden, die nur das Eindringen der Manipulatorhand in den Sensorbereich anzeigen, und die Bewegung der Hand im Sensorbereich durch Programmsteuerung erfolgt, (b) einige oder alle Sensoren durch Rechnersimulation ersetzt werden, wobei der Rechner nicht nur die Bewegung der Hand im Sensorbereich steuert, sondern auch den Eintritt der Hand in den Sensorbereich ermittelt.
  4. 4. Programmierbarer Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß (a) bei Anwendung des Verfahrens auf Handhabungsgeräte die Bahnsteuerung durch eine Punktsteuerung ersetzt wird, wobei die Punkte mit den Grenzen der Sensorbereiche zusammenfallen, und (b) die Positionsgeber des Arbeitsarms durch vereinfachte Sensoren ersetzt werden, die nur einige feste Positionen anzeigen.
  5. 5. Programmierbarer Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß beim Wiederholen einstudierter Vorgänge die gespeicherten, mit den beim Wiederholen auftretenden Sensormessungen verglichen und für Kontrollen mit Fehleranzeige und/oder selbsttätige Korrekturen des Systems verwendet werden.
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