DE3602813A1 - Messeinrichtung zur erfassung der position und orientierung eines koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Erfassung der Position und Orientierung eines Körpers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung soll dabei insbesonde­ re dazu verwendbar sein, die Bewegung programmgesteuerter Gerätearme zu überprüfen.

Herkömmliche Einrichtungen zur Erfassung der Position und Orientierung eines Körpers relativ zu einem ortsfesten Bezugselement weisen Aufnehmer auf mit denen der Abstand des Körpers von dem Bezugselement, die Lage der Verbin­ dungsgraden im Raum, sowie beispielsweise durch Antastung die Orientierung des Körpers relativ zu einem Antast- Koordinatensystem ermittelt wird. Damit erfordern derarti­ ge herkömmliche Einrichtungen eine Reihe unterschiedlicher Längen- bzw. Winkelaufnehmer, durch die beispielsweise die Justierung und Eichung der Meßeinrichtung erschwert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrich­ tung zur Erfassung der Position und Orientierung eines Körpers relativ zu einem ortsfesten Bezugselement anzuge­ ben, die einfach aufgebaut und eichbar ist und darüber­ hinaus einen vergleichsweise geringen baulichen Aufwand erfordert.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung baut auf dem Grundgedanken auf, die Position und Orientierung eines Körpers relativ zu einem ortsfesten Bezugselement unter Verzicht auf Längenmessungen etc. ausschließlich durch Winkelmessungen zu bestimmen. Hierzu weist die Meßeinrichtung zwei Verbindungselemente auf die relativ zueinander sowie zu Befestigungselementen, die die Meßeinrichtung mit dem Körper sowie dem Bezugselement verbinden, um Achsen schwenkbar sind, die senkrecht auf den Längsachsen der Verbindungselemente stehen. Zusätzlich sind beide Befestigungselemente um Achsen, die senkrecht auf den Schwenkachsen stehen, sowie ein Verbindungselement um seine Längsachse drehbar. Die verschiedenen Schwenk­ bzw. Drehbewegungen werden mittels Winkelaufnehmer bzw. Drehmeßgeber gemessen. Aus den Ausgangssignalen der Win­ kelaufnehmer bzw. Drehmeßgeber bestimmt eine Signalverar­ beitungseinrichtung die Position und die Orientierung des Körpers, also beispielsweise der Greifvorrichtung eines programmgesteuerten Gerätearms.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung hat damit eine Reihe von Vorteilen:

Die Meßeinrichtung, bei der ausschließlich eine Reihe von Dreh- bzw. Schwenkbewegungen erfolgt, kann aus standardi­ sierten Bauelementen, die austauschbar sind, aufgebaut werden. Damit kann die Meßeinrichtung leicht an verschie­ dene Meßprobleme oder unterschiedliche Meßräume, in denen die Position des Körpers festgestellt werden soll, ange­ paßt werden.

Als Meßwertaufnehmer werden bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ausschließlich Drehmeßgeber bzw. Winkelge­ ber verwendet. Derartige Aufnehmer sind - beispielsweise verglichen mit Längenaufnehmern - bei gleicher Genauigkeit billiger herzustellen.

Ferner können die Meßwert-Eingangsanschlüsse, Verstärker usw. der Signalverarbeitungseinrichtung für alle sechs Aufnehmer gleichartig ausgebildet sein da alle Aufnehmer Winkelgeber sind. Dies vereinfacht den Aufbau der Signal­ verabeitungseinrichtung, die aus den Signalen der Meßwert­ aufnehmer die Position und die Orientierung des Körper bestimmt.

Die Signalverarbeitungseinrichtung kann im übrigen in an sich bekannter Weise beispielsweise einen Mikrocomputer oder eine Mikroprozessorschaltung aufweisen, die nach einem durch die analytische Geometrie gegebenen Algorith­ mus aus den einzelnen Winkel-Meßwerten die Position und die Orientierung des Körpers im dreidimentionalen Meßbe­ reich bestimmt. Damit erübrigt sich eine ins Detail gehen­ de Beschreibung der Signalverarbeitungseinrichtung.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung kann gemäß Anspruch 2 auch dazu eingesetzt werden, die Positions- und Wiederhol­ genauigkeit beispielsweise eines programmgesteuerten Gerätearms zu überprüfen. Zusätzlich oder alternativ kann gemäß Anspruch 3 auch die Beschleunigung und die Geschwin­ digkeit des Gerätearms, mit denen dieser eine bestimmte Position einnimmt, längs einer vorgegebenen Bahn ermittelt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, deren einzige Figur einen Querschnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Meßeinrichtung zeigt.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung weist zwei Flansche 1 bzw. 2 auf. Mit dem Flansch 1 ist die Meßeinrichtung an einem nicht dargestellten Körper, dessen Position und Orientierung bestimmt werden soll, und mit dem Flansch 2 an einem ebenfalls nicht dargestellten Bezugselement befestigt, beispielsweise angeschraubt. Eine Zwischenplat­ te 3 ist mittels Kugellager 4 gegenüber dem Flansch 2 um eine Achse A-A drehbar. Die Drehung der Zwischenplatte 3 gegen den Flansch 2 erfaßt ein Drehmeßgeber bzw. ein Winkelgeber 5. An der Zwischenplatte 3 sind Lagerböcke 6 angebracht, in denen in Kugellagern 7 eine Welle 8 gela­ gert ist, an der mittels eines Klemmstücks 8′ ein Verbin­ dungselement 9, das bei dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel als Rohr ausgebildet ist, angebracht ist, so daß es um eine Achse B-B schwenkbar ist. Die Schwenkbewegung des Verbindungselemens 9 um die Achse B-B erfaßt ein weiterer Winkelgeber 10.

An dem Verbindungselement 9 ist eine weitere Zwischenplat­ te 11 befestigt, auf der ebenfalls Lagerböcke 12 vorgese­ hen sind, in denen mittels Kugellager 13 eine Welle 14 drehbar gelagert ist, an der mittels eines Klemmstücks 15 ein zweites Verbindungselement 16 angelenkt ist. Das Verbindungselement 16 ist damit um eine durch die Welle 14 gehende Achse C-C schwenkbar. Die Schwenkbewegung des Verbindungselements 16 um die Achse C-C wird von einem dritten Winkelgeber 17 aufgenommen.

In dem aus zwei Teilen 16′ und 16′′ bestehenden Verbin­ dungselement ist eine Welle 18 mittels Kugellager 18′ drehbar gelagert, an der ein U-Bügel 19 befestigt ist. Der U-Bügel 19 ist damit gegenüber dem Verbindungselement 16 um dessen Längsachse, also die Achse D-D drehbar. Die Relativdrehung zwischen dem U-Bügel 19 und dem Verbin­ dungselement 16 erfaßt ein vierter Winkelgeber 20.

An dem U-Bügel 19 sind Lagerböcke 21 mit Kugellagern 22 angebracht, in denen eine Welle 23 drehbar gelagert ist, an der ein Rohrstück 24 befestigt ist. Das Rohrstück 24 ist damit um die Achse E-E schwenkbar. Diese Schwenkbewe­ gung erfaßt ein fünfter Winkelgeber 25. An dem Rohrstück 24 ist mittels eines Kugellagers 26 der Flansch 1 derart gelagert, daß der Flansch 1 um die Achse F-F drehbar ist. Diese Drehbewegung erfaßt ein sechster Winkelaufnehmer 27.

Durch die dargestellte Anordnung der sechs Dreh- bzw. Schwenkachsen A-A bis F-F ist es der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung möglich, die Position und die Orientierung des Körpers dadurch zu bestimmen, daß der Flansch 1 orts­ fest bezogen auf den Körper und der Flansch 2 ortsfest bezogen auf ein Bezugselement, beispielsweise eine Ebene des Roboter-Traggestells bleibt. Aus der Winkelstellung der einzelnen Dreh- bzw. Schwenkelemente, die mittels der Winkelgeber erfaßt wird, kann eine nicht dargestellte Signalverarbeitungseinrichtung genau die Position des Körpers, z.B. in einem kartesischen Koordinatensystem oder den Abstand des Körpers von dem ortsfesten Bezugselement sowie die Lage dieser Abstandsgeraden im Raum und darüber­ hinaus die Orientierung des Körpers berechnen. Diese Berechnung erfolgt mit vergleichsweise einfachen Rechen­ vorgängen der analytischen Geometrie, so daß hierauf nicht näher eingegangen werden muß.

Genausowenig muß auf die Ausbildung der bei der erfin­ dungsgemßen Meßeinrichtung eingesetzten Signalverarbei­ tungseinrichtung eingegangen werden; diese kann aus han­ delsüblichen Meßwert-Verstärkern für die Ausgangssignale der ebenfalls handelsüblichen Winkelgeber bestehen. Die Ausgangssignale der Meßwertverstärker können beispielswei­ se analog/digital-gewandelt und an einen Mikrocomputer oder eine Einplatinen-Mikroprozessorschaltung angelegt werden, die unter Berücksichtigung der Geometrie, d.h. der Abstände der einzelnen Schwenkachsen der erfindungsge­ mäßen Meßeinrichtung sowie der Auflageflächen der Flansche von diesen Schwenkachsen aus den Ausgangssignalen der Winkelgeber die Position und die Orientierung der Auflage­ fläche des Flansches 1 und damit auch die Position und Orientierung des mit dem Flansch 1 verbundenen Körpers berechnet.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung hat dabei eine Reihe von Vorteilen:

Zur Erfassung der Position und Orientierung eines Körpers sind ausschließlich Winkelmessungen erforderlich, die beispielsweise leichter und genauer als Längenmessungen ausgeführt werden können.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung kann darüberhinaus modulartig aufgebaut werden, so daß nicht nur die Her­ stellkosten verringert, sondern auch die Meßeinrichtung leicht an unterschiedliche Meßprobleme, beispielsweise unterschiedliche Meßräume, in denen sich der Körper bewe­ gen kann angepaßt werden kann. Hierzu ist es beispiels­ weise nur erforderlich, die Verbindungselemente 9 oder 16 auszutauschen. Besonders bevorzugt ist es dabei, den Teil 16′ des zweiteiligen Verbindungselements 16 austauschbar bzw. wechselbar zu gestalten.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels beschrieben worden. Innerhalb des allgemeinen Erfindungsgedankens, die Positions- und Lagebestimmung eines Körpers mittels einer sechsachsigen Meßeinrichtung, deren Winkelstellung gemessen wird, auszuführen, sind natürlich die verschiedensten Modifikationen möglich:

Beispielsweise ist es auch möglich, das rohrförmige Ver­ bindungselement 9 zweiteilig zu gestalten, und in diesem eine Welle drehbar zu lagern, die wiederum fest mit dem Zwischenstück oder dem Flanschteil verbunden ist.

Claims (7)

1. Meßeinrichtung zur Erfassung der Position und Orientie­ rung eines Körpers relativ zu einem ortsfesten Bezugele­ ment, insbesondere zur Überprüfung eines programmgesteuer­ ten Gerätearms, dadurch gekennzeichnet daß die Meßeinrichtung zwei an dem ortsfesten Bezugselement bzw. dem Körper angebrachte Flansche (1, 2) aufweist, an denen Zwischenelemente (3, 26) um eine zum jeweiligen Flansch senkrechte Achse (A-A bzw. F-F) drehbar angebracht sind, an denen Verbindungs­ elemente (9, 16) um eine zu der Drehachse senkrechte Achse (B-B bzw. E-E) schwenkbar angelenkt sind, von denen eines zusätzlich um seine Längsachse (D-D) drehbar ist, und die relativ zueinander um eine Achse (C-C) schwenkbar sind, und daß zur Erfassung jeder Schwenk- bzw. Drehbewegung jeweils ein Winkelaufnehmer vorgesehen ist, aus deren Signalen eine Signalverarbeitungseinrichtung die Position und Orientierung der Ebene des beweglichen Flansches (1) und damit des Körpers bestimmt.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zusätzlich die Position- und Wiederholgenauigkeit des Körpers ermit­ telt.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsein­ richtung zusätzlich die Beschleunigung und/oder Geschwin­ digkeit längs der Bahn des Körpers ermittelt.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsein­ richtung ein Mikrocomputer oder eine Einplatinen-Mikropro­ zessorschaltung ist.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente aus­ tauschbar sind, und die Signalverarbeitungseinrichtung unterschiedliche Längen der Verbindungselemente bei der Bestimmung der Position und Orientierung des Körpers berücksichtigt.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herabsetzung der Reibung für sämtliche Dreh- bzw. Schwenkbewegungen Kugellager vorgesehen sind.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Meßwertaufnehmer gleichartige Winkelgeber sind.