DE3611337A1 - In einer kunststoffkugel untergebrachte, opto-elektronische anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine in einer Kunststoffkugel unter­ gebrachte, opto-elektronische Anordnung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1, mit welcher gleichzeitig sechs Kom­ ponenten eingegeben werden können, welche in einem kartesi­ schen Koordinatensystem Verschiebungen in der X-, Y- und Z- Richtung sowie Winkeldrehungen Dx, Dy und Dz um diese drei Achsen sind.

Mit Hilfe einer solchen Anordnung läßt sich das Einlernen von Roboterbewegungen oder, allgemein ausgedrückt, das Bewe­ gen von Manipulatoren sehr einfach, bequem und schnell be­ werkstelligen. Auch bei 3 D-Graphik-Anwendungen lassen sich mit der in einer Kunststoffkugel untergebrachten Anordnung Darstellungen am Bildschirm sehr schnell verschieben, dre­ hen und zoomen.

Hierzu wird vorzugsweise eine im Durchmesser der menschli­ chen Hand angepaßte Kunststoffkugel verwendet, wie sie aus der DE 32 40 251 bekannt ist. Als Meßsystem wurde ein aus der DE 27 27 704 bekannter Kraft-Drehmoment-Fühler verwen­ det.

Nachteilig bei dem bekannten Kraft-Drehmoment-Fühler sind vor allem die hohen Kosten für die Herstellung eines bei dem bekannten Fühler verwendeten Biegekörpers, für das manuelle Aufkleben und das Verdrahten von insgesamt 16 Dehnungsmeß­ streifen sowie für die erforderliche, aufwendige, den Dehnungsmeßstreifen nachgeschaltete Verstärkerelektronik.

Durch die Erfindung soll daher eine im Aufbau kompakte und im Vergleich zu dem bekannten Kraft-Drehmoment-Fühler ein­ fach herzustellende, opto-elektronische Anordnung geschaffen werden, mit welcher statt Kräften und Momenten Wege und Win­ kelverschiebungen gemessen werden, und bei welcher die er­ haltenen Meßwerte mittels einer einfachen Elektronik ver­ stärkt und ausgewertet werden. Gemäß der Erfindung ist dies bei einer in einer Kunststoffkugel untergebrachten, opto­ elektronischen Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der in einer Kunst­ stoffkugel untergebrachten, opto-elektronischen Anordnung sind mindestens sechs in gleichen Winkelabständen voneinan­ der in einer Ebene angebrachte, lichtemittierende Einrich­ tungen vorgesehen, welchen jeweils in einem vorgegebenen Abstand entsprechend ausgerichtete Schlitzblenden fest zu­ geordnet sind. Ferner ist gegenüber jeder der lichtemittie­ renden Einrichtungen ein positionsempfindlicher Detektor so angeordnet, daß er mit seiner Detektorachse senkrecht zur Schlitzrichtung der ihm jeweils zugeordneten Schlitzblende ausgerichtet ist.

Um mit der erfindungsgemäßen Anordnung sechs unterschiedli­ che Komponenten, nämlich drei Verschiebungen in Richtung der X-, der Y- und der Z-Achse eines kartesischen Koordinaten­ systems und drei Winkeldrehungen um diese drei Achsen zu messen, sind die lichtemittierenden Einrichtungen mit den ihnen fest zugeordneten Schlitzblenden bezüglich der posi­ tionsempfindlichen Detektoren relativ gegeneinander bewegbar angeordnet. Vorzugsweise sind die positionsempfindlichen Detektoren auf der Innenseite eines zylindrischen Rings angeordnet, welcher seinerseits an der Innenseite der Kunst­ stoffkugel fest angebracht ist.

Zwischen dem die positionsempfindlichen Detektoren tragenden Ring und einer in ihrer Mitte die lichtemittierenden Ein­ richtungen tragenden Halterungseinrichtung sind Federelemen­ te, vorzugsweise in Form von Schraubenfedern, vorgesehen und beispielsweise mittels Schraubbolzen so gehaltert, daß der die positionsempfindlichen Detektoren tragende Ring bezüg­ lich der stationären Halterungseinrichtung, mit den sechs lichtemittierenden Einrichtungen und das fest zugeordneten sechs Schlitzblenden so bewegbar, daß der Ring immer wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt.

Im Unterschied zu den bisher verwendeten Meßsystemen läßt sich die opto-elektronische Anordnung gemäß der Erfindung sehr einfach, äußerst preiswert und sehr klein, d.h. kompakt ausführen und aufbauen, wodurch die wesentlichen, den bis­ herigen Systemen anhaftenden Nachteile beseitigt sind.

Obendrein ist gemäß der Erfindung jedem Detektor einzeln eine ganz bestimmte lichtemittierende Einrichtung zugeord­ net, welche mittels einer einfachen Regelelektronik so an­ gesteuert wird, daß die Summe der beiden Ströme, welche in dem jeder lichtemittierenden Einrichtung gesondert zugeord­ neten Detektor fließen, konstant auf einem Wert hält, der für alle sechs Systeme aus lichtemittierender Einrichtung, zugeordneter Schlitzblende und Detektor gleich ist.

Um dies zu erreichen, wird die Strahlungsintensität der lichtemittierenden Einrichtungen, d.h. bei den lichtemittie­ renden Einrichtungen, beispielsweise in Form von lichtemit­ tierenden Dioden, wird der Durchflußstrom entsprechend ge­ regelt. Alle elektronischen Bauteile, welche für die vorste­ hend beschriebene Regelung, d.h. für die Aufbereitung, die Filterung, eine Digitalisierung und eine anschließende Um­ rechnung der Meßwerte in die sechs kartesischen Ausgangs­ signale benötigt werden, in einer Kunststoffkugel mit einem Durchmesser von etwa 70mm untergebracht sein.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist trotz einer ausgespro­ chen einfachen Mechanik bei einer Auflösung von weniger als 1 Prozent eine sehr gute Entkopplung zwischen den sechs zu messenden Komponenten auf.

Obendrein ist, wie vorstehend schon angeführt, die gesamte Elektronik in der Kugel integrierbar. Ferner werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung keine Linsensysteme benötigt, und es sind auch keine Justier- oder Eicharbeiten erforder­ lich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Aus­ führungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnun­ gen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch in pespektivischer Darstellung die wesentlichen Teile einer in einer Kunst­ stoffkugel untergebrachten, opto-elektroni­ schen Anordnung gemäß der Erfindung und

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der per­ spektivischen Darstellung der Fig. 1, aus wel­ cher die Zuordnung der wesentlichen Teile der erfindungsgemäßen opto-elektronischen An­ ordnung zu ersehen sind.

Wie dem Ausschnitt der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist eine lichtemittierende Einrichtung, vorzugsweise in Form einer lichtemittierenden Diode 2-1 auf einer nur schematisch ange­ deuteten Halterungseinrichtung 2 angebracht. Der lichtemit­ tierenden Diode 2-1 ist in einem fest vorgegebenen Abstand eine in einem zylindrischen Ring 3 ausgebildete Schlitzblen­ de zugeordnet, welche in dem Ausschnitt der Fig. 2 die waag­ recht verlaufende Schlitzblende 3-1 ist. Senkrecht zu der Schlitzrichtung der jeweiligen Schlitzblende ist ein posi­ tionsempfindlicher Detektor (PSD) 4-1 vorgesehen, welcher in dem in Fig. 2 wiedergegebenen Ausschnitt an einem zylindri­ schen Ring 4 angebracht ist.

Die in Fig. 2 dargestellten und in der beschriebenen Weise einander zugeordneten Elemente, nämlich die lichtemittieren­ de Diode 2-1, die Schlitzblende 3-1 und der senkrecht zu de­ ren Schlitzrichtung angeordnete, positionsempfindliche De­ tektor 4-1 bilden gewissermaßen ein Basismeßsystem, welches, wie aus der perspektivischen Darstellung der Fig. 1 zu erse­ hen ist, mindestens sechsmal benötigt wird.

Bei der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Anordnung sind die sechs lichtemittierenden Einrichtungen, vorzugsweise in Form von sechs lichtemittierenden Dioden 2-1 bis 2-6 in einer Ebene angeordnet, wobei den lichtemittierenden Ein­ richtungen in einem festen Abstand jeweils eine Schlitzblen­ de 3-1 bis 3-6 zugeordnet ist; hierbei sind benachbarte Schlitzblenden in dem Ring 3 jeweils um 90° gegeneinander versetzt ausgebildet. So ist beispielsweise die Schlitzblen­ de 3-1 waagrecht und die beiden benachbarten Schlitzblenden 3-2 bzw. 3-6 sind senkrecht dazu ausgerichtet; diese Bezie­ hung auch gilt dann für alle übrigen Schlitzblenden und die ihnen jeweils benachbarten Schlitzblenden.

In der in Fig.1 schematisch wiedergegebenen Ausführung sind die mindestens sechs positionsempfindlichen Detektoren 4-1 bis 4-6 an einem zylindrischen Ring 4 bezüglich der ihnen zugeordneten Schlitzblenden 3-1 bis 3-6 entsprechend ausge­ richtet. Ferner ist der Ring 4 mit den sechs Detektoren 4-1 bis 4-6 fest auf der Innenseite einer Kunststoffkugel 1 angebracht. Da die sechs lichtemittierenden Dioden 2-1 bis 2-6 in Fig. 1 in einer schematisch als Zylinder angedeuteten Halterungseinrichtung 2 untergebracht sind, welche ihrer­ seits über einer Stütze 6 stationär angeordnet ist, ist über die Kunststoffkugel 1 der mit ihr fest verbundene Ring 4 mit den daran angebrachten sechs Detektoren gegenüber der stationären Anordnung aus den sechs lichtemittierenden Ein­ richtungen 2-1 bis 2-6 und dem ihr fest zugeordneten Schlitzblendenring 3 bewegbar.

Die stationäre, in Fig. 1 schematisch als Zylinder angedeu­ tete Halterungseinrichtung 2 kann bei einer praktischen Aus­ führungsform beispielsweise als eine mit der stationären Stütze 6 fest verbundene Scheibe ausgeführt sein, deren Durchmesser etwa dem Außendurchmesser des die Detektoren 4-1 bis 4-6 tragenden Rings 4 entspricht und welche über oder unter diesem Ring 4 angeordnet sein.

Hierbei sind dann zwischen dem Ring 4 und der scheibenförmi­ gen Halterungseinrichtung 2 Federelemente, vorzugsweise in Form von Schraubenfedern, vorgesehen, welche mittels Schraubbolzen sowohl dem Ring als auch der scheibenförmigen Halterungseinrichtung fest zugeordnet sind. Vorzugsweise durch solche Schraubenfedern ist dann erreicht, daß der die Detektoren 4-1 bis 4-6 tragende Ring 4 über die Kunststoff­ kugel 1 bezüglich der stationären Anordnung der lichtemit­ tierenden Einrichtungen 2-1 bis 2-6 und dem fest zugeordne­ ten Schlitzblendenring 3 bewegbar ist und nach jeder Ver­ schiebung oder Winkeldrehung jeweils wieder in seine Aus­ gangslage zurückkehrt.

In der schematischen perspektivischen Darstellung der Fig. 1 sind zur Abschirmung der einzelnen lichtemittierenden Dioden 2-1 bis 2-6 zwischen ihnen jeweils in radialer Richtung verlaufende Abschirmstege 5-1 bis 5-6 dargestellt. Solche Stege können jedoch entfallen, wenn die einzelnen lichtemit­ tierenden Dioden aufgrund ihrer Ausbildung oder aufgrund einer entsprechenden Anordnung oder Unterbringung auf bzw. in der Halterungseinrichtung 2 von sich aus entsprechend abgeschirmt sind, so daß sichergestellt ist, daß nur jeweils Licht der vorgesehenen radial gegenüberliegenden lichtemit­ tierenden Einrichtung über die ihr fest zugeordnete Schlitz­ blende auf den jeweiligen positionsempfindlichen Detektor fällt.

Aufgrund der gewählten, bevorzugten Gesamtanordnung ist ein räumlich kompakteres Meßsystem geschaffen, als es bei einer Umkehr der optischen Zuordnung möglich wäre, welche jedoch prinzipiell genauso möglich ist.

Die mindestens sechs anhand von Fig. 2 beschriebenen Basis­ meßsysteme sind in gleichen Winkelabständen voneinander, d.h. unter einem Winkel von 60°, in einer Ebene angeordnet, und weisen, wie bereits beschrieben, abwechselnd zu dieser Ebene horizontal und vertikal ausgerichtete Schlitzblenden 3-1 bis 3-6 auf. Wie aus der Lage der einzelnen Schlitzblen­ den und der durch Schraffur hervorgehobene, von den licht­ emittierenden Dioden 2-1 bis 2-6 ausgehenden Ebenen zu er­ sehen ist, sind die Detektorachsen der einzelnen positions­ empfindlichen Detektoren 4-1 bis 4-6 immer senkrecht zu den ihnen zugeordneten Schlitzblenden 3-1 bis 3-6 ausgerichtet.

Dadurch erhält jedes einzelne Basismeßsystem eine selektive Meßempfindlichkeit für eine in der Detektorachsenrichtung erfolgende Bewegung, während sowohl Bewegungen senkrecht zur Detektorachse aufgrund der schlitzförmigen Blenden als auch Bewegungen senkrecht zu der Detektoroberfläche vollständig entkoppelt möglich sind, wobei jedoch durch solche Bewegun­ gen keine Meßsignale erzeugt werden.

Durch die in die sogenannte Meßebene versetzte, mindestens sechsfache Anordnung der in Fig. 2 schematisch dargestellten Basismeßsysteme ist eine vollständige Erfassung aller sechs möglichen Bewegungskomponenten, nämlich von drei Verschie­ bungen in Richtung der drei Achsen des Koordinatensystems und von drei Winkelbewegungen um diese drei Achsen, er­ reicht. Die mindestens sechs positionsempfindlichen Detekto­ ren 4-1 bis 4-6 sind an dem zylindrischen Ring 4 so ange­ bracht, daß der Nullpunkt ihrer Detektorflächen eine gemein­ same Ebene, die bereits erwähnte Meßebene, bildet. Da die Kunststoffkugel 1 fest an dem die Detektoren 4-1 bis 4-6 tragenden Ring 4 angebracht ist, und da dieser Ring 4 wie­ derum, wie oben im einzelnen ausgeführt, vorzugsweise mit­ tels Federelementen mit der stationären Halterungseinrich­ tung verbunden ist, welche die Anordnung aus den sechs lichtemittierenden Einrichtungen 2-1 bis 2-6 und die diesen fest zugeordneten Schlitzblenden 3-1 bis 3-6 trägt, halten diese Federelemente das gesamte Meßsystem in der mechani­ schen Nullstellung, wenn keine Kommandos auf die Kugel 1 aufgebracht werden.

Hierbei läßt sich durch Variation der Federeigenschaften (deren Steifigkeit) die Betriebscharakteristik der Kugel in weiten Grenzen beeinflussen. Bei Verwendung von verhältnis­ mäßig weichen Federelementen wirkt die Kugel 1 eher als ein wegempfindlicher Sensor, während bei Verwendung von härteren Federelementen Kommandos mehr durch Ausüben von Kräften und Momenten erteilt werden.

Aufgrund der Verwendung von nicht nur einer Lichtquelle für alle Detektorsysteme, sondern von jeweils einer eigenen, jedem sogenannten Basismeßsystem zugeordneten Lichtquelle kann die erforderliche Signalaufbereitungselektronik sehr einfach realisiert werden. Die interessierende Lage des auf den jeweiligen positionsempfindlichen Detektor treffenden Lichtschlitzes läßt sich aus dessen beiden Ausgangsströmen (I 1, I 2), welche zuvor in proportionale Spannungen (U 1, U 2) umgewandelt werden, über die bekannte Beziehung (U 1- U 2)/(U 1+U 2) ermitteln. Dieser Quotient ist jedoch analog technisch nur mit einem verhältnismäßig großen Aufwand zu bestimmen. Die Erfassung sowie die Digitalisierung der Spannungen U 1 und U 2 und die anschließende digitale Bestimmung des Ausdrucks bedingen im Ergebnis zusätzliche Quantisierungsfehler, insbesondere dann, wenn preiswerte Wandler mit einem niedrigen Auflösungsvermögen verwendet werden sollen.

Wie schon erwähnt, ist diese Schwierigkeit bei der erfin­ dungsgemäßen opto-elektronischen Anordnung dadurch besei­ tigt, daß jedem positionsempfindlichen Detektor eine eigene Lichtquelle zugeordnet ist, welche durch eine einfache Re­ gelelektronik angesteuert wird. Mit dieser Regelelektronik wird die Summe (I 1+I 2) der beiden Detektorströme I 1 und I 2 gemessen, und die Strahlungsintensität der zugeordneten Lichtquelle wird so geregelt, daß unabhängig von dem Abstand und der Lage der zugeordneten Schlitzblende (3-1 bis 3-6) diese Summe immer einem fest eingestellten Wert entspricht, wobei dieser Wert für alle mindestens sechs Basismeßsysteme gleich ist.

Mit Hilfe dieser Regelelektronik werden dann beispielsweise unterschiedliche Detektor-Empfindlichkeiten, unterschiedli­ che Leuchtdioden-Wirkungsgrade, Toleranzen in den elektroni­ schen Bauelementen sowie Temperaturdriften automatisch und schnell ausgeregelt. Auf diese Weise ist kein zusätzlicher Abgleich erforderlich, und er kann somit entfallen. Das ge­ wünschte Lagesignal läßt sich dann in einfacher Weise hoch­ genau lediglich durch eine Differenzbildung (U 1- U 2) der beiden zu den Ausgangsströmen I 1 und I 2 der Detektoren pro­ portionalen Spannungen U 1 und U 2 bestimmen.

Die so gewonnenen mindestens sechs Lagespannungen UL 1 bis UL 6 der einzelnen positionsempfindlichen Detektoren 4-1 bis 4-6 werden digitalisiert und einem Mikrocomputer zugeführt, welcher dann beispielsweise über das nachstehend wiedergege­ bene, einfache Gleichungssystem die insgesamt sechs Ver­ schiebungen und Winkeldrehungen errechnet:

Durch Betriebsversuche mit einem Prototyp der erfindungsge­ mäßen opto-elektronischen Anordnung konnte die einwandfreie Funktion der in eine Kunststoffkugel 1 eingebauten Meßanord­ nung nachgewiesen werden. Beispielsweise ließ sich ein Robo­ ter mit sechs Freiheitsgraden, in der Bewegung sauber ent­ koppelt, auf geraden Bahnen im Raum führen. Ebenso konnte die Orientierung der Hand kommandiert werden, ohne daß translatorische Bewegungen auftraten.

Die erfindungsgemäße opto-elektronische Anordnung ist auch für hochgenaue Positionieraufgaben vorzüglich geeignet, wie sie beispielsweise bei Robotern und Werkzeugmaschinen vor­ kommen. In einem solchen Fall sind dann die Anordnung aus den lichtemittierenden Einrichtungen und der ihr fest zuge­ ordnete Blendenteil sowie der Ring mit den positionsempfind­ lichen Detektoren nicht mit Federn verbunden, sondern ge­ trennt an den beiden auszurichtenden Maschinenteilen ange­ bracht. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Anordnung und der nachgeschalteten Regelelektronik können dann die Teile in allen sechs Freiheitsgraden ausgerichtet werden, bzw. die verbleibenden Ausrichtfehler hochgenau festgestellt werden.

Ohne Abwandlung des Grundgedankens der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Anordnung können auch großflächige De­ tektoren verwendet werden, um dadurch größere Wege- und Winkelmeßbereiche zu erhalten. In diesem Fall kann dann auch der Einsatz von Linsensystemen zur Lichtstrahlbündelung oder zu dessen Abbildung auf einer Detektorfläche sinnvoll sein.

Claims (3)

1. In einer Kunststoffkugel untergebrachte, opto-elektroni­ sche Anordnung zum gleichzeitigen Eingeben von sechs Kompo­ nenten, nämlich drei Verschiebungen und drei Winkeldrehun­ gen in bzw. um die drei Achsen eines kartesischen Koordina­ tensystems, dadurch gekennzeichnet, daß jede von mindestens sechs in gleichen Winkelabständen voneinander in einer Ebene angebrachten,lichtemittierenden Einrichtungen (2-1 bis 2-6) mit jeweils vorgeschalteter, fest angeordneter Schlitzblende (3-1 bis 3-6) gegenüber je einem mit seiner Detektorachse senkrecht zur Schlitzrichtung der jeweils zu­ geordneten Schlitzblende (3-1 bis 3-6) ausgerichteten, posi­ tionsempfindlichen Detektor (4-1 bis 4-6) so vorgesehen ist, daß die lichtemittierenden Einrichtungen (2-1 bis 2-6) mit zugeordneten Schlitzblenden (3-1 bis 3-6) und die positions­ empfindlichen Detektoren (4-1 bis 4-6) relativ gegeneinander bewegbar sind, und daß die jedem positionsempfindlichen De­ tektor (4-1 bis 4-6) einzeln zugeordnete lichtemittierende Einrichtung (2-1 bis 2-6) jeweils mittels einer Regelelek­ tronik angesteuert wird, welche die Summe der beiden, in dem zugehörigen positionsempfindlichen Detektor (4-1 bis 4-6) fließenden Ströme konstant auf einem für alle sechs Systeme gleichen Wert hält und dazu die Strahlungsintensität der lichtemittierenden Einrichtungen (2-1 bis 2-6) regelt.

2. Opto-elektronisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindlichen Detektoren (4-1 bis 4-6) auf der Innenseite eines zylindri­ schen Rings (4) entsprechend ausgerichtet angeordnet sind, der an der Innenseite der Kunststoffkugel (1) fest ange­ bracht ist und der über zwischen dem Ring (4) und einer in der Mitte die lichtemittierenden Einrichtungen tragenden Halterungseinrichtung vorgesehenen Federelemente bezüglich der stationären Anordnung aus den mindestens sechs licht­ emittierenden Einrichtungen (2-1 bis 2-6) und den diesen jeweils fest zugeordneten sechs Schlitzblenden (3-1 bis 3-6) so bewegbar ist, daß er (4) immer wieder in seine Ausgangs­ lage zurückkehrt.

3. Opto-elektronisches System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die min­ destens sechs lichtemittierende Einrichtungen (2-1 bis 2-6) vorzugsweise in einer Halterungseinrichtung (2) unterge­ bracht sind, mit welcher vorzugsweise über radial verlau­ fende Stege (5-1 bis 5-6) ein zylindrischer Ring (3) fest verbunden ist, in welchem in den gleichen Winkelabständen wie die an der Halterungseinrichtung (2) angebrachten, lichtemittierenden Einrichtungen (2-1 bis 2-6) und diesen in radialer Richtung gegenüberliegend abwechselnd die jeweils um 90° gegeneinander versetzten Schlitzblenden (3-1 bis 3-6) ausgebildet sind.