DE3813708A1 - Roboterpositionssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ermittlung der Position von Roboterfingern, und speziell auf eine Vorrichtung zum Erzeugen einer linearen Sensorantwort auf die Roboterfingerposition.

Der Ausdruck "Roboter" wird hier zur Bezeichnung eines elektromechanischen Manipulators verwendet. Der Einsatz von Robotern in der Industrie setzt sich in letzter Zeit beschleunigt durch, Roboteranwendungen sind hinsichtlich ihrer Natur inzwischen sehr komplex geworden, was geschlossene Rückkopplungssysteme mit integrierter Sensortechnik erfordert. Solche Rückkopplungsschleifen werden dazu verwendet, die Eigenschaften der von dem Roboter zu manipulierenden Objekte auszuwerten und die Möglichkeit von Einstellungen im automatischen Ablauf in Echtzeit zu eröffnen.

Es ist daher extrem wichtig, daß in die Werkzeuge am Ende eines Roboterarms geeignete Sensorvorrichtungen inkorporiert sind, um die Art des bearbeiteten Werkstücks zu ermitteln, ob das Werkstück richtig ergriffen worden ist und ob das Werkstück korrekt gehandhabt wird doer positioniert ist. Außerdem hängt der erfolgreiche Einsatz von Robotervorrichtungen in hohem Maße von der Anpaßbarkeit solcher Vorrichtungen ab, damit diese unterschiedliche Teile aufnehmen können. Verschiedene Sensoren, wie optische und Tastsensoren, werden dazu verwendet, die notwendigen Rückkopplungssignale zu erzeugen.

In Technologien, die an Fertigungsstraßen Anwendung finden, werden beispielsweise Tastsensoren, beispielsweise Weg-, Kraft- oder Momentensensoren, benötigt, um die Position und die Größe zu manipulierender Teile zu identifizieren.

In vielen Fällen werden die von solchen Sensoren erzeugten Signale mit spezifischen Größenschwellenwerten verglichen.

Die meisten bekannten Industrieroboter enthalten eine Greifergruppe, ein Signalverarbeitungsnetzwerk und eine Steuerungseinrichtung, die beispielsweise Positionssignale von der Greiferanordnung erhält und an diese über eine Steuerschleife Steuersignale sendet.

Die Rückkopplung zur Steuerung der Ausführung von automatischen Arbeitsabläufen kann durch Positionssensoren für die Roboterfinger hergestellt werden.

Fingerpositionssensoren für Industrieroboter sind bekannt. Eine Greifergruppe, die einen solchen Sensor enthält, ist in der US-PS 45 09 783 beschrieben. Diese Druckschrift offenbart eine Greifvorrichtung mit einem Körper, der mit einer Kolbenkammer versehen ist, in der ein Kolben angeordnet ist. Zwei im Abstand angeordnete Finger sind mit dem Körper verbunden, und eine Querstange und Gelenkstangen verbinden benachbarte Finger, so daß eine Betätigung des Kolbens eine Bewegung der Finger zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung hervorruft. Eine erste Sensoreinrichtung ist zwischen den Fingern angeordnet, um die Querdistanz dazwischen zu messen, und ein zweiter Sensor ist zwischen dem Körper und einer beweglichen Kappe angeordnet, die darauf befestigt ist, um die Verstellung zwischen der Kappe und dem Körper zu messen.

Eine weitere Greifvorrichtung mit einem Sensor ist in der US-PS 46 11 296 beschrieben. Diese Druckschrift beschreibt einen Robotermanipulator mit einem Sensor, der an einem beweglichen Teil des Roboters montiert ist und der mit einer Steuereinheit über ein programmierbares Sensorinterface verbunden ist. Das programmierbare Sensorinterface enthält Mikroprozessorelemente und Speicherelemente. Jeder Sensor hat drei ihm zugeordnete Signalbereiche, und diese sind in dem Speicherelement gespeichert.

Eine weitverbreitete Sensorart für lineare Verstellung in Roboteranwendungen basiert auf dem Halleffekt. Der Halleffekt ist Grundlage für eine besonders wirkungsvolle Sensortechnologie, weil er eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer aufweist. Die einfachste Form der Halleffekttechnologie besteht im Hallelement, das aus einem dünnen, ebenen Blatt aus leitfähigem Material besteht, mit Ausgangsanschlüssen, die senkrecht zur Richtung des Stromflusses orientiert sind. Wenn das Hallelement einem Magnetfeld unterworfen wird, dann spricht es mit einer Ausgangsspannung an, die proportional zur anliegenden Magnetfeldstärke ist. Die Ausgangsspannung liegt typischerweise im Millivoltbereich und erfordert zusätzliche elektronische Einrichtungen, um brauchbare Spannungspegel zu ergeben.

Die Kombination eines Hallelements und der zugehörigen Verstärkungselektronik wird Hallwandler genannt. Solche Hallwandler wandeln ein Magnetfeld in ein elektrisches Signal um. Die lineare Verstellung kann unter Verwendung eines Hallwandlers gemessen werden, indem eine Bewegung eines Magneten relativ zum Sensorelement hervorgerufen wird. Die Ausgangsspannung des Hallelements ist dann proportional zur Flußdichte an der Stelle, an der der Wandler angeordnet ist.

Frühere Hallwandler für Robotereinrichtungen verwendeten eine unipolare Frontalanordnung für die Abfühlung linearer Verstellung. Der Ausdruck "frontal" bezieht sich auf die Weise, in der der Magnet sich relativ zum Bezugspunkt des Wandlers bewegt. Im Frontalbetrieb erfolgt die Bewegungsrichtung des Magneten direkt auf den Wandler zu und von ihm weg, wobei die Feldlinien des Magnetflusses durch den Bezugspunkt des Wandlers verlaufen. Der Magnet und der Wandler sind so positioniert, daß ein Pol des Magneten sich der Sensorfläche des Wandlers annähert.

Solche bekannten Sensoren für lineare Verstellung haben einige innewohnende Nachteile, von denen der wesentlichste darin besteht, daß die Ansprechcharakteristik nicht linear ist. In der unipolaren Frontalbetriebsart kann das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung und der Distanz zwischen dem Magnet und dem Sensor durch eine Exponentialkurve dargestellt werden. Die Kurve ist exponentiell, weil, wenn sich der Sensor dem Magneten nähert, das Magnetfeld exponentiell stärker wird. Das heißt, eine exponentiell zunehmende Zahl Flußlinien werden vom Sensor geschnitten, wenn die Distanz abnimmt.

An einem Roboterpositionssensor verwendet sprechen unipolare Frontalhallwandler dementsprechend nicht linear auf Positionsänderungen des abgefühlten Ziels an.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Manipulatorpositionssensor anzugeben.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen verbesserten Manipulatorpositionssensor anzugeben, der unter Ausnutzung des Halleffektes arbeitet und eine lineare Charakteristik auf Änderungen in der Manipulatorposition hat.

Es ist weiterhin ein Ziel der Erfindung, eine Sensorvorrichtung anzugeben, die eine Vielzahl von Positionseinstellpunkten für den Vergleich mit abgefühlten Manipulatorpositionen speichern kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

In der bipolaren Vorbeigleit-Betriebsart ist der Spalt zwischen dem Magnetelement und dem Hallelement konstant, und das Hallelement ist quer in bezug auf die Dipolachse angeordnet. Die Dipolachse des Magneten liegt parallel zur Ebene des Hallelements, und der Magnet bewegt sich von Nord nach Süd über die Ebene des Hallelements. Als Folge dieses Aufbaus werden von dem Sensor eine konstante Zahl Flußlinien geschnitten, wenn sich der Magnet über den Sensor bewegt. Dies führt zu einer im wesentlichen linearen Sensorantwort in Funktion zur Relativbewegung der Finger. Diese Betriebsart ist daher der Frontalbetriebsart bekannter Manipulatorsensoren überlegen, die ein nicht lineares Ansprechverhalten zeigen.

Ein weiteres Aspekt der Erfindung enthält Signalkonditionsierungselemente zur Konditionierung von Signalen, die von dem Sensorelement erzeugt werden und für die Relativposition der Manipulatorfinger repräsentativ sind.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung enthält ein Logiknetzwerk zur Unterteilung des Bereiches der Manipulatorfingerbewegung in lineare Abschnitte. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der so in lineare Stufen unterteilte Betriebsbereich eine Anzahl von Einstellpunkten. Die Einstellpunkte umfassen einen Ausgang entsprechend der völlig geöffneten Stellung der Finger und einen Einstellpunkt entsprechend der völlig geschlossenen Stellung der Finger. Zusätzliche Einstellpunkte zwischen den genannten Positionen sind ebenfalls vorgesehen und sind durch den Benutzer einstellbar, um den Dimensionseigenschaften der zu manipulierenden Objekte Rechnung zu tragen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Einstellpunkte durch Kalibrierung zugehöriger Trimmpotentiometer einstellbar.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung offenbart eine digitale Spannungsanzeige (DVD) zur Anzeige der Ausgangsspannung, die von dem Hallsensor erzeugt wird. Die DVD erleichtert die Kalibrierung der Einstellpunkte für die geöffnete, geschlossene und die Zwischenstellungen. Eine bevorzugte Ausführungsform einer DVD verwendet eine Flüssigkristallanzeige (LED).

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Toleranzeinstellelement vorgesehen, um eine einem jedem Einstellpunkt zugeordnete Spannungsbereichstoleranz einzustellen. Die Größe der Toleranz oder des "Fensters", die jedem Einstellpunkt zugeordnet ist, kann durch den Benutzer eingestellt werden, um variierenden Anwendungsfällen Rechnung zu tragen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das den Betriebsablauf bei einem bekannten Robotersystem darstellt;

Fig. 2A eine Frontdarstellung, teilweise weggeschnitten, eines Robotermanipulators, der einen Hallsensor nach der Erfindung enthält;

Fig. 2B eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht des Manipulators nach Fig. 2A;

Fig. 3 eine Vorderansicht eines Steuer/Ausgabe-Elements nach der Erfindung;

Fig. 4A eine perspektivische Darstellung eines Hallwandlers unter Verwendung einer bipolaren Vorbeigleitkonfiguration nach der Erfindung;

Fig. 4B eine Distanz/Gauss-Kurve entsprechend dem Wandler nach Fig. 4A;

Fig. 5A eine perspektivische Darstellung eines bekannten Hallwandlers unter Verwendung einer unipolaren Frontalkonfiguration;

Fig. 5B eine Distanz/Gauss-Kurve entsprechend dem Wandler nach Fig. 5A, und

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungslogik, die gemäß der Erfindung verwendet wird.

In den Zeichnungen sind für übereinstimmende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt ein im Stand der Technik beschriebenes Robotersystem als Blockschaltbild. Ein Greifer 10, der ein Sensorelement aufweist, wird durch eine Prozeßsteuereinheit 6 gesteuert, die Steuersignale über eine Steuerschleife 8 abgibt. Das Sensorelement, das im Greifer 10 angeordnet ist, gibt Analogsignale ab, die für die Manipulatorposition oder -verstellung kennzeichnend sind. Diese Signale gelangen an einen Signalprozessor 4. Der Signalprozessor 4 enthält typischerweise eine Signalaufbereitungs- und Verstärkungselektronik zur Aufbereitung der von dem Manipulator-Sensor 10 erzeugten Positionssignale. Die aufbereiteten Signale, die vom Signalprozessor 4 abgegeben werden, gelangen zur Prozeßsteuereinheit 6, wodurch die Rückkopplungsschleife vervollständigt wird, die in konventionellen Industrieroboteranwendungen erforderlich ist.

Fig. 2A ist eine Vorderansicht eines Greifers nach der Erfindung. Der Greifer 10 enthält ein Gehäuse 12, an welchem ein Fingerblock 14 verschiebbar montiert ist. Die Verbindung des Fingerblocks 14 mit dem Gehäuse 12, die keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung darstellt, ist vorzugsweise von üblichem Aufbau, wie er bei Greifern mit parallelen Fingern zu beobachten ist. Dementsprechend sind Finger 16 in der völlig geschlossenen Stellung I in ausgezogenen Linien und in der völlig geöffneten Stellung II in Phantomlinien dargestellt. Die Finger 16 bewegen sich zwischen diesen beiden Positionen aufeinander zu oder voneinander weg, und zwar hervorgerufen durch pneumatischen oder hydraulischen Druck, der dem Innenraum des Gehäuses 12 in bekannter Weise zugeführt wird.

Ein Magnet 18 ist an dem Fingerblock 14 so montiert, daß die Dipolachse des Magneten 18 längs der Richtung der Fingerbewegung orientiert ist. Ein Hallsensor 20 ist benachbart dem Fingerblock 14 mittels eines Sensorbügels 22 angeordnet, der an dem Gehäuse 12 fest angebracht ist. Wie in Fig. 2B dargestellt ist, hat der Sensorbügel 22 eine im wesentlichen C-förmige Gestalt. Der Sensor 20, der Signale erzeugt, die für die lineare Verstellung kennzeichnend sind, wie weiter unten im Detail noch erläutert wird, gibt Analogsignale an ein Kabel 24 ab, das zur Verbindung mit äußeren Steuereinrichtungen dient.

Der Magnet 18 ist vorzugsweise in einem hohlen Abschnitt, beispielsweise einer Sackbohrung, montiert, die in der Seite des Fingerblocks 14 ausgebildet ist. Ein solcher Aufbau erlaubt ein niedriges Werkzeugprofil, das für eine Vielzahl von Anwendungsfällen geeignet ist.

Wie obenerwähnt, dient das Kabel dazu, Signale zu äußeren Prozeßsteuereinheiten und Ausgabeelementen zu übertragen. Ein solches Ausgabeelement ist in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 ist eine Vorderansicht einer vom Benutzer betätigten Steuereinrichtung. Die Einrichtung enthält ein Gehäuse 30, das die Ausgangselektronik aufnimmt, die weiter unten noch im Detail erläutert wird. Das Gehäuse 30 enthält auch eine Anzeigeeinrichtung 32 und einen Mehrstellungsschalter 34. Die Steuereinrichtung 29 gibt auch Zugang zu mehreren Trimmpotentiometern. Die Steuereinrichtung 29 steht mit der Greiferanordnung 10 über das Kabel 24 in Verbindung. Kabel 38 und 39 sind für zusätzliche Eingaben oder Ausgaben in die oder von der Steuereinrichtung 29 vorgesehen.

Die Anzeigeeinrichtung 32 ist als digitale Spannungsanzeige (DVD) ausgebildet und enthält vorzugsweise eine Flüssigkristallanzeige (LED), um die Anforderungen an die Stromversorgung zu vermindern.

Im Betrieb gibt der Ausgang der DVD 32 eine Anzeige der linearen Verstellung oder Position der Finger 16 an der Greiferanordnung 10, da sie die verarbeiteten Spannungssignale anzeigt, die für die ermittelten Signale repräsentativ sind, die ursprünglich vom Hallsensor 20 am Greifer 10 erzeugt werden.

Der Aufbau des Magneten und des Hallsensors am Greifer nach der Erfindung ist in Fig. 4A dargestellt. Fig. 4A ist eine perspektivische Darstellung eines Hallwandlers nach der Erfindung, der einen bipolaren Vorbeigleitaufbau verwendet. Eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Distanz und Feldstärke eines solchen Hallsondenaufbaus ist in Fig. 4B gegeben.

Wie Fig. 4A zeigt, ist die Dipolachse des Magneten 42 parallel zur Ebene des Hallelements 44 ausgerichtet. Der Abstand zwischen dem Magneten 42 und dem Hallelement 44 wird als Wandlerspalt 43 bezeichnet. Die Verstellung zwischen einer Mittellinie, die senkrecht zur Ebene des Hallelements 44 gezogen wird, und der Mittellinie, die senkrecht zur Achse des Dipols gezogen wird, stellt die Verstelldistanz dar.

Während die Fig. 4A und 4B den vollen Ansprechbereich der bipolaren Vorbeigleitanordnung nach der Erfindung darstellen, versteht sich doch, daß nur der lineare Abschnitt des vollen Bereichs verwendet wird, wie weiter unten noch beschrieben wird.

Während Fig. 4A einen U-förmigen Magneten zeigt, kann auch ein stabförmiger Magnet verwendet werden. Der in Fig. 4A dargestellte Aufbau führt zu einer Distanz/Feldstärke-Kurve, die einen S-förmigen Verlauf hat, der in Fig. 4B mit C 1 eingezeichnet ist. Dieser hat sowohl positive als auch negative Abschnitte, die Ursache für den Ausdruck "bipolar" sind. Die positiven und negativen Hälften der Kurve sind das Ergebnis der Nähe der Nord- und Südpole des Magneten und entsprechen der Lage des Magneten zur rechten oder linken Seite der Mittellinie des Hallelements 44, das den Bezugspunkt bildet, von dem aus die Distanzen in der graphischen Darstellung aufgetragen sind. Wenn man die Pole des Magneten weiter trennt, wie in Fig. 4A dargestellt, wird die Steilheit des mittleren Abschnitts der Kurve nach Fig. 4B kleiner.

Es sei angemerkt, daß die resultierende Distanz/Feldstärke-Kurve C 1 in der Darstellung nach Fig. 4A einen beachtlichen linearen Abschnitt zwischen den Enden der gebogenen Abschnitte aufweist. Dies ist im Gegensatz zu der Kurve C 2 nach Fig. 5B, die überhaupt keine linearen Abschnitte aufweist.

Die Distanz/Feldstärke-Kurve nach Fig. 5B gehört zu der unipolaren Frontalkonfiguration, die in Fig. 5A dargestellt ist. Diese Konfiguration ist typisch für die Roboterpositionssensoren nach dem Stand der Technik. In einer solchen Konfiguration steht der Südpol des Magneten 52 dem Hallelement 54 gegenüber. Die Achse des Dipols des Magneten 52 verläuft senkrecht zur Ebene des Hallelements 54. Die Verstellung des Südpols des Magneten 52 gegenüber der Ebene des Hallelements 54 ist die in Fig. 5A dargestellte Verstellung. Der Magnet 52 bewegt sich auf das Hallelement 54 in einer Richtung parallel zur Nord/Süd-Achse des Magneten 52 zu und in der entgegengesetzten Richtung wieder davon weg. Der Ausdruck "frontal" bezieht sich daher auf die Weise, in der sich der Magnet 52 relativ zum Hallelement 54 längs einer Achse bewegt, die mit seiner Mittenlinie übereinstimmt, die wiederum den Bezugspunkt bildet, von dem aus die Distanzen in der graphischen Darstellung aufgetragen sind.

Der Magnet 52 und das Hallelement 54 sind derart angeordnet, daß die magnetischen Flußlinien, die von dem Magneten 52 erzeugt werden, durch diesen Bezugspunkt laufen. In der in Fig. 5A dargestellten Konfiguration werden nur die magnetischen Flußlinien in der positiven Bezugsrichtung detektiert, und als Folge dieser Betriebsart wird diese "unipolar" genannt. In dem unipolaren Frontalbetrieb ist das Verhältnis zwischen der Distanz und der Feldstärke so, wie durch die Exponentialkurve C 2 in Fig. 5B aufgetragen. Die Distanz wird von der Fläche des Wandlers zum Südpol des Magneten 52 längs der Bewegungsrichtung gemessen.

Man erkennt aus der Graphik der Fig. 5B, daß der Zusammenhang zwischen der Distanz und der Feldstärke nicht linear ist. Diese Nichtlinearität ist ein Nachteil bekannter Wandler, die in Roboterverstellsensoren verwendet werden, und es ist dieser Nachteil, der durch die Wandleranordnung nach der vorliegenden Erfindung beseitigt wird.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungslogik, die ein analoges Positionsmodul 60 enthält, das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Der Greiferblock 10 gibt schematisch das Verhältnis zwischen dem Magneten und dem Sensor in einem Greifer gemäß der Erfindung an.

Wenn der Hallwandler 20 (Fig. 2A) in die oben beschriebene bipolare Vorbeigleitkonfiguration eingesetzt wird und der Magnet in bezug auf das Sensorelement 20 längs einer Achse bewegt wird, die parallel zu der der Dipolachse des Magneten und zwischen Positionen verläuft, die zwischen den Nord- und Südpolen des Magneten liegen, dann wird durch das Hallelement eine elektrische Ausgangsspannung erzeugt, die sich annähernd linear mit der Distanz ändert, um die der Magnet bewegt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Hallelement 20 in dem Greifergehäuse 12 angeordnet, wie oben beschrieben, wo es stationär verbleibt, und der Magnet 18 ist in dem Fingerblock 14 so untergebracht, daß, wenn die Finger 16 in ihrer geschlossenen Stellung sind, das Hallelement 20 über einem der Pole des Magneten 18 steht, d. h. eine Senkrechte von dem Sensor schneidet die Dipolachse an einer Stelle nahe einem der Magnetpole. Wenn sich die Finger 16 in ihrer völlig geöffnete Stellung bewegen, die in Phantomlinien dargestellt ist, dann bewegt sich der Magnet 18 in bezug auf den Sensor 20 längs einer Achse, die parallel zur Dipolachse verläuft. Bei Erreichen der völlig geöffneten Stellung schneidet eine Senkrechte vom Sensorelement 20 die Dipolachse an einer Stelle nahe dem anderen der Magnetpole. Die Senkrechte sollte vorzugsweise zwischen die Nord- und Südpole nahe den Enden des Magneten 18, jedoch nicht in die Enden des Magneten fallen, um die Steigerung der Flußdichte an den Enden des Magneten 18 und dadurch die damit einhergehende Nichtlinearität zu vermeiden.

Das in dem Greiferblock 10 in Fig. 6 dargestellte Hallelement 20 hat vorzugsweise einen elektrischen Ausgang, bei dem die Spannung abnimmt, wenn die Magnetfeldstärke in seiner Umgebung zunimmt. Beim Öffnen der Roboterfinger 16 schneidet die Magnetbewegung mehr magnetische Flußlinien, was den Hallwandlerausgang veranlaßt, in der Spannung abzunehmen.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird das Ausgangssignal des Hallelements elektronisch verarbeitet, um eine lineare Antwort zu erhalten, die für die Verstellung der Finger 16 repräsentativ ist.

Das von dem Hallelement 20 erzeugte Spannungssignal liegt im Millivolt-Bereich und muß daher verstärkt und aufbereitet werden, um verwendbare Ausgangssignale zu erzielen. Außerdem sind in der Erfindung Fensterlogik- und Einstellogikkreise vorgesehen, um die Nützlichkeit des Wandlersystems in Roboteranwendungen zu verbessern. Diese Verstärkungs- und Signalaufbereitungselemente sind für eine Ausführungsform der Erfindung in Fig. 6 dargestellt.

Der Ausgang des Hallelements wird über den Verbinder J 1 in Fig. 6 übertragen. Die Signalaufbereitungselemente U 9 und U 10 verarbeiten dann das Ausgangssignal.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist U 9 ein Operationsverstärker, der als Spannungssubtrahierer geschaltet ist, d. h. der Ausgang entspricht der Differenz der zwei Eingänge, wie es im Stand der Technik an sich bereits bekannt ist. Der Signalkonditionierblock U 9, U 10 enthält vorzugsweise ein Potentiometer zum Abgreifen einer Bezugsgleichspannung, die zwischen 0 und 12 Volt liegt. Dieses Potentiometer erzeugt eine Nulleinstellung und ist günstigerweise für den Benutzer für die Einstellung zugänglich. Wenn die Greiffinger in ihrer geschlossenen Position sind, dann wird eine Nominalspannung von 6 Volt dem Eingang des Operationsverstärkers U 9 zugeführt. Die Nulleinstellung wird verändert, bis eine abgeglichene Spannung am zweiten Eingang des Operationsverstärkers U 9 liegt, was bewirkt, daß der Ausgang des Operationsverstärkers U 9 0 Volt zeigt. Wenn die Finger des Greifers geöffnet werden, was den Magneten gegenüber dem Hallelement bewegt, nimmt die Ausgangsspannung des Hallelements ab, so daß der Ausgang des Operationsverstärkers U 9 zunimmt. Dieser Ausgang wird einem Verstärkerelement U 10 zugeführt. Ein Inverter U 10 ermittelt die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers U 9 und gibt eine entsprechende invertierte Spannung ab. Das invertierende Verstärkerelement U 10 enthält vorzugsweise auch einen nicht-invertierenden Verstärker mit einstellbarer Verstärkung zur Verstärkung des Ausgangs des Inverters. Der Ausgang des nicht-invertierenden Verstärkerabschnitts von U 10 wird als das analoge Positionssignal (APS) bezeichnet.

Die digitale Spannungsanzeige (DVD), die oben in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben worden ist, wird in Fig. 6 als Block 32 dargestellt und überwacht das analoge Positionssignal APS über einen vom Benutzer betätigbaren Schalter 34. Der DVD-Block 32 liest das APS als 0, wenn das APS gleich 0 Volt ist, und als 100, wenn das APS gleich 10 Volt ist. Wie obenerwähnt, werden die APS-Werte 0 Volt und 10 Volt durch geeignete Potentiometer 36 eingestellt. Anzeigen von 0 bis 100 der DVD 32 repräsentieren einen 100-Einheitsbereich des Greiferweges. Dies kann man sich als Prozentsatz des vollen Bewegungsweges der Finger vorstellen. Die 100 Einheiten des so dargestellten Greiferweges sind im wesentlichen linear, weil die bipolare Vorbeigleitkonfiguration gemäß der Erfindung verwendet wird. Wenn die in Fig. 6 dargestellte Elektronik in den in Fig. 2 dargestellten Greifer inkorporiert wird, dann gibt eine Anzeige von 0 vorzugsweise die völlig geschlossene Fingerposition an, und eine Anzeige von 100 gibt die vollständig geöffnete Fingerposition an. Wenn der Benutzer wünscht, die Nulleinstellung und die Volleinstellung entsprechend den Anzeigewerten 0 und 100 einzustellen, dann wählt der Benutzer die zugehörige Position am Schalter 34, die es erlaubt, das analoge Positionssignal zu beobachten.

In Übereinstimmung mit der Erfindung ergibt die in Fig. 6 dargestellte Elektronik mehrere vom Benutzer einstellbare Einstellpunkte zur Triggerung von Ausgangssignalen, die vorbestimmte Fingerpositionen angeben. Diese Einstellpunkte werden durch den Fensterlogikblock 64 erzeugt. Aus Übersichtlichkeitsgründen wird nur ein Fensterlogikblock dargestellt. Der Fachmann weiß jedoch, wie weitere Fensterlogikblöcke, die als Fenster 2 bis 4 dargestellt sind, hinzugefügt werden können.

Der dargestellte Fensterlogikblock 64 enthält ein Potentiometer P 1, Spannungsaddierer U 1 und U 2, einen Spannungssubtrahierer U 3, einen Komparator U 4 und einen Ausgangstransistor Q 1. Das Potentiometer P 1 kann vorzugsweise manuell so eingestellt werden, daß sein Abgriff eine Gleichspannung zwischen 0 und 12 Volt führt und einen Einstellpunkt einstellt. Eine am Potentiometer P 1 abgegriffene Spannung kann von der DVD 32 bei geeigneter Stellung des Schalters 34 angezeigt werden.

Wenn der Benutzer beispielsweise den Monitorschalter 34 in die Stellung 1 entsprechend dem Fenster 1 schaltet, dann kann der Benutzer das Potentiometer P 1 so lange verstellen, bis eine Anzeige von 50 an der DVD 32 erscheint. Diese Anzeige kann beispielsweise -5 Volt Gleichspannung entsprechen, die am Potentiometer P 1 abgegriffen wird. Diese Spannung wird durch den Eingang des Spannungsaddierers U 1 wahrgenommen. Ein zweiter Eingang des Spannungsaddierers U 1 nimmt eine Spannung wahr, die von einem festen Spannungsteilerkreis 66 stammt. Der Ausgang des Spannungsteilerkreises 66 ist beispielsweise eine negative Spannung von 0,1 Volt. Der Ausgang des Spannungsaddierers U 1 ist dementsprechend die Summe der wahrgenommenen Eingangsspannungen. Dieser Ausgang von U 1 wird durch den Spannungsaddierer U 2 invertiert, der als Einheitsinvertierer gestaltet ist. Daher kann eine typische Ausgangsspannung von U 1 die Größe -5,1 Volt haben. Der invertierte Ausgang von U 2 ist dann eine positive Spannung von 5,1 Volt. Das Element U 3 des Operationsverstärkers ist als Spannungssubtrahierer geschaltet. Er empfängt die gleichen Eingänge, die von U 1 empfangen werden, und für -5 Volt Gleichspannung von -0,1 Volt Gleichspannung ist der Ausgang von U 3 eine negative Spannung von 4,9 Volt.

Der Operationsverstärker U 4 ist ein Spannungskomparator, der ein Spannungsfenster, das vom Ausgang des Spannungsaddierers U 1 und des Spannungssubtrahierers U 3 stammt, mit dem analogen Positionssignal APS vergleicht, den es vom Operationsverstärker U 10 erhält. Wenn die Ausgänge des Spannungsaddierers U 1 und des Spannungssubtrahierers U 3 -5,1 Volt bzw. -4,9 Volt sind, dann bildet die Spannungskomparatorfunktion des Operationsverstärkers U 4 ein "Fenster". Der Ausgangstransistor Q 1 wird nur dann eingeschaltet, wenn die APS-Spannung innerhalb des Fensters von 0,2 Volt liegt, das von -5,1 Volt und -4,9 Volt begrenzt wird. Aus der vorangehenden Erläuterung entnimmt man, daß die Spanne von 0,2 Volt um den Einstellpunkt für die Einstellpunkte über den Betriebsbereich der Schaltung, vorzugsweise 0 bis 12 Volt Gleichspannung, aufrechterhalten wird, so daß das Potentiometer P 1 auf jeden gewünschten Einstellpunkt eingestellt werden kann und das 0,2 Volt-Fenster an dem gewünschten Einstellpunkt ausgebildet wird.

Weiter unter Bezugnahme auf das obige Beispiel: eine DVD-Anzeige von 50 wird als Einstellung des analogen Positionsmoduls 60 auf eine Stellung von 50 Einheiten entsprechend etwa dem halben Roboterfingerweg interpretiert. Ein Spannungsausgang vom Transistor Q 1 ist daher nur dann vorhanden, wenn die Finger des Roboters innherlab eines Bereiches von ±1 um den Zählwert 50 positioniert sind.

Das analoge Positionssensormodul 60 enthält ein zusätzliches elektronisches Logikelement 68 zur Ermittlung, ob die Roboterfinger innerhalb zweier Verstelleinheiten beim Öffnen oder Schließen liegen. Dieses Logikelement 68 wird als Finger-Öffnungs/Schließ-Logikelement bezeichnet. In diesem Logikelement 68 ist der Komparator U 11 dazu vorgesehen, die analoge Positionssensorspannung APS und zwei Spannungsausgänge von einer festen Spannungsteilerschaltung 70 abzufühlen. Beispielsweise können die Spannungsteilerausgänge Gleichspannungen von 0,2 Volt und 9,8 Volt sein. Der Komparator U 11 ist so aufgebaut, daß, wenn die APS-Spannung unter 0,2 Volt fällt, der Ausgangstransistor Q 6 eingeschaltet wird, was eine Fingerschließstellung anzeigt. Wenn die APS-Spannung über 9,8 Volt ansteigt, dann wird der Ausgangstransistor Q 5 eingeschaltet, was eine Fingeröffnungsstellung anzeigt.

Andere Ausführungsformen können einen Thermistor 62 enthalten, der mit dem Signalaufbereitungselement U 9 verbunden ist, um Temperaturschwankungen zu kompensieren, die in einigen Anwendungsfällen die Ausgangslinearität beeinträchtigen könnten.

Es versteht sich, daß die Erfindung auch an anderen Stellen eingesetzt werden kann, beispielsweise an Handgelenk- und Schulterverbindungssystemen eines Roboters, in welchem ein Betätigungselement gegenüber einem stationären Element eine Längsbewegung ausführt. Auch kann die Größe des Fensters durch Hinzufügen eines Potentiometers zum festen Spannungsteiler 66 verändert werden.

Claims (14)

1. Elektromechanisch oder fluidisch betätigter Manipulator, enthaltend:
eine Greifvorrichtung (10) zum Ergreifen von Objekten, enthaltend einen Körper (12) und mehrere Finger (16), eine Sensoreinrichtung (44) zur Ermittlung der Relativposition der Finger (16), die wenigstens einen Hallsensor (44) enthält, und eine Magneteinrichtung (42), die in wenigstens einem der Finger (16) angeordnet ist und in bezug auf den wenigstens einen Hallsensor (44) in einer bipolaren Vorbeigleit-Art angeordnet ist.

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallsensor wenigstens ein Hallelement (44) enthält, das ein planares Blatt aus leitfähigem Material aufweist, und daß die Magneteinrichtung (42) wenigstens einen Magneten aufweist, der eine Dipolachse hat, die in bezug auf den Hallsensor (44) derart angeordnet ist, daß die Dipolachse parallel zur Ebene des genannten Blattes aus leitfähigem Material verläuft.

3. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Finger (16) an einem aus einer Mehrzahl von Fingerblöcken (14) montiert ist.

4. Manipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fingerblöcke (14) verschiebbar an dem Körper (12) derart montiert sind, daß die Finger (16) in einer parallelen Bewegung in bezug aufeinander beweglich sind.

5. Manipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fingerblöcke drehbar an dem Körper derart montiert sind, daß die Finger in einer Drehbewegung in bezug aufeinander bewegbar sind.

6. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung eine Signalverarbeitungseinrichtung aufweist, um Signale zu verarbeiten, die von der Sensoreinrichtung (44) erzeugt werden und die für die Relativposition der Finger (16) repräsentativ sind, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung enthält:
eine Signalverstärkungseinrichtung zum Verstärken der Signale, die von der Sensoreinrichtung (44) erzeugt werden und für die Relativposition der Finger (16) repräsentativ sind, und
eine Signalaufbereitungseinrichtung (U 9, U 10), die mit der Signalverstärkungseinrichtung verbunden ist, um die verstärkten Signale aufzubereiten, die von der Verstärkungseinrichtung erzeugt werden und die für die Relativposition der Finger (16) repräsentativ sind.

7. Manipulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung einen Bereich von Eingangswerten erzeugt, die für einen Fingerbewegungsbereich repräsentativ sind, und daß die Signalaufbereitungseinrichtung (U 9, U 10) weiterhin eine Ausgangsbereichslogikeinrichtung aufweist, um den genannten Bereich von Eingangswerten in eine vorbestimmte Zahl entsprechender Ausgangsunterbereiche zu unterteilen.

8. Manipulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Anzeigeeinrichtung (32) enthält, die der Signalaufbereitungseinrichtung (U 9, U 10) zugeordnet ist, um den Ausgangsunterbereich darzustellen, dem der gegebene Eingangswert entspricht.

9. Manipulator nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungseinrichtung weiterhin enthält:
eine Einstellpunkteinrichtung zum Errichten mehrerer einstellbarer Aufgabeeinstellpunktwerte, die jeweils einem vorgegebenen Eingangswert entsprechend, und
einen Komparator (U 4) zum (i) Vergleichen eines gegebenen Eingangswertes mit jedem aus einer Mehrzahl von Ausgangseinstellpunktwerten, und (ii) zum Übertragen eines Ausgangssignals, das für einen Ausgabeeinstellpunktwert kennzeichnend ist, wenn der gegebene Eingangswert in einen vorbestimmten Schwellenwert eines Ausgangseinstellpunktwertes fällt.

10. Elektromechanisch oder fluidisch betätigter Manipulator, enthaltend:
eine Greifvorrichtung zum Ergreifen von Objekten, mit einem Körper und mehreren Fingern,
eine Sensoreinrichtung zum Ermitteln der Relativposition der Finger, enthaltend wenigstens einen Hallsensor, wobei die Sensoreinrichtung einen Bereich von Eingangswerten erzeugt, die für einen Fingerbewegungsbereich repräsentativ sind,
eine Magneteinrichtung, die in wenigstens einem der Finger angeordnet ist und in bezug auf den Hallsensor in einer bipolaren Vorbeigleit-Art orientiert ist,
eine Signalverarbeitungseinrichtung, die mit der Sensoreinrichtung verbunden ist, zum Verarbeiten von Signalen, die von der Sensoreinrichtung erzeugt werden und für die Relativposition der Finger repräsentativ sind, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung enthält:
(i) eine Signalverstärkungseinrichtung zum Verstärken von Signalen, die von der Sensoreinrichtung erzeugt werden und für die Relativposition der Finger repräsentativ sind, und (ii) eine Signalaufbereitungseinrichtung, die mit der Signalverstärkungseinrichtung verbunden ist, um die verstärkten Signale aufzubereiten, die von der Verstärkungseinrichtung erzeugt werden und die für die Relativposition der Finger repräsentativ sind, wobei die Signalaufbereitungseinrichtung weiterhin eine Ausgangsbereichslogikeinrichtung enthält, um den Bereich von Eingangswerten in eine vorbestimmte Anzahl entsprechender Ausgangsunterbereiche zu unterteilen,
eine Anzeigeeinrichtung, die der Signalaufbereitungseinrichtung zugeordnet ist, um den Ausgangsunterbereich anzuzeigen, dem der gegebene Eingangswert entspricht,
eine Einstellpunkteinrichtung, die der Signalaufbereitungseinrichtung zugeordnet ist, um eine Vielzahl einstellbarer Ausgangseinstellpunktwerte einzurichten, die jeweils einen vorbestimmten Eingangswert entsprechen,
eine Komparatoreinrichtung, die der Einstellpunkteinrichtung zugeordnet ist, um (i) einen gegebenen Eingangswert mit jedem aus der Vielzahl der Ausgangseinstellpunktwerte zu vergleichen, und um (ii) ein Ausgangssignal abzugeben, das für einen Ausgangseinstellpunktwert kennzeichnend ist, wenn der gegebene Eingangswert innerhalb eines vorbestimmten Wertes eines Ausgangseinstellpunktwertes fällt, und
eine Schwellenwerteinrichtung, die mit der Komparatoreinrichtung verbunden ist, um den vorbestimmten Schwellenwert einzustellen.

11. Ausgangseinrichtung zur Verarbeitung eines Bereiches von Eingangssignalwerten, die von einem Hallsensor erzeugt werden, enthaltend:
eine Verstärkungseinrichtung für die Verstärkung der Signale, die von dem Hallsensor erzeugt werden,
eine Ausgangsbereichslogikeinrichtung, die mit der Verstärkungseinrichtung verbunden ist, um den Bereich von Eingangswerten in eine vorbestimmte Anzahl entsprechender Ausgangsunterbereiche zu unterteilen,
eine Einstellpunkteinrichtung, die mit der Ausgangsbereichslogikeinrichtung verbunden ist, um eine Vielzahl von einstellbaren Ausgangseinstellpunktwerten einzustellen, die jeweils einem vorbestimmten Eingangssignalwert entsprechen, und
eine Komparatoreinrichtung, um einen gegebenen Eingangswert mit jedem aus der Vielzahl der Ausgangseinstellpunktwerte zu vergleichen, und um (ii) ein Ausgangssignal abzugeben, das für einen Ausgangseinstellpunktwert kennzeichnend ist, wenn der gegebene Eingangswert innerhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes eines Ausgangseinstellpunktwertes fällt.

12. Ausgangseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schwellenwerteinrichtung enthält, die mit der Komparatoreinrichtung verbunden ist, um den vorbestimmten Schwellenwert einzustellen.

13. Ausgangseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwerteinrichtung mehrere Potentiometer enthält, um die Schwellenwerte zu kalibrieren.

14. Ausgangseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzeigeeinrichtung enthält, die der Komparatoreinrichtung zugeordnet ist, um den Ausgangsunterbereich anzuzeigen, dem ein gegebener Eingangswert entspricht.