DE3836003C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen taktilen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Handhabungsmaschinen und Roboter gehören bereits seit langem zu unverzichtbaren Bestandteilen der industriellen Fertigung.

Kraftsensoren (auch taktile Sensoren genannt) sind beispielsweise aus der DE-Z "Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte" Bd. 15, 1986, Nr. 43, Seiten 120-125 sowie aus der DE-Z "Messen, Steuern, Regeln", Berlin 26, 1983, 1, Seiten 10-18 bekanntgeworden. Derartige taktile Sensoren dienen der Erfassung der unmittelbaren dynamischen Relation zwischen Hand oder Werkzeug und Objekt. Vor allem die Steuerung eines Roboters kann sehr wirkungs- und effektvoll dann vorgenommen werden, wenn Sensoren zur Messung der Kräfte zwischen Roboterarm und dessen Hand mittels Kraftsensoren im Handgelenk gemessen werden. Für derartige Kraft- und Momentensensoren im Handgelenk kann die Messung der drei Kraft- und der drei Momenten-Komponenten zwischen der Hand und dem Endteil des Armes vorgenommen werden.

Der aus der zuletzt genannten Druckschrift bekannte taktile Sensor weist dabei eine mechanische einstückige Struktur mit einigen Materialbrücken auf, an denen bevorzugt Dehnmeßstreifen angebracht werden können. Über diese Dehnmeßstreifen soll ein möglichst hysteresefreier Kraft- und Momentenverlauf meßbar sein.

Dieser wie auch andere bekannte taktile Sensoren weisen aber den schwerwiegenden Nachteil auf, daß deren Aufbau und Struktur kompliziert ist, sie nur zeit- und kostenintensiv herstellbar sind, und daß vor allem deren Meßcharakteristik nicht veränderbar ist. Entweder weisen die bekannt gewordenen Kraftsensoren eine "harte" oder beispielsweise eine "weiche" Kenncharakteristik auf. Eine Verstellung ist nicht möglich. Allenfalls wäre bei derartig komplexen Systemen noch denkbar, eine systembedingte Charakteristik beispielsweise bei Erreichen eines Kraftgrenzwertes von "hart" auf "weich" umzuschalten. Aber auch hierdurch ist eine Einstellung in unterschiedliche, anwendungsfallabhängige Charakteristiken nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile gegenüber dem Stand der Technik zu überwinden und einen taktilen Sensor zu schaffen, bei dem problemlos je nach Bedarf und Anwendungsfall unterschiedliche Kennlinien- Charakteristiken einstellbar sind. Darüber hinaus soll eine einmal gewählte Einstellung auch leicht in ihrem anderen Kennlinienverlauf änderbar sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die vorliegende Erfindung wird auf verblüffend einfache Art und Weise ein taktiler Sensor geschaffen, der je nach Anwendungsfall und Aufgabenstellung eine gewünschte Kennlinien-Charakteristik aufweisen kann. Vor allem kann diese je nach Bedarf wieder verändert werden. Dazu bedarf es nur der Auswechslung der jeweils notwendigen Federn. Durch Einbau von Federn mit anderen Federkonstanten läßt sich die jeweils gewünschte Kennlinien-Charakteristik erzielen.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Meßdaten optisch abgegriffen, wodurch sich eine hohe Meßgenauigkeit erzielen läßt. Die Meßgenauigkeit läßt sich zudem durch einen an sich nicht erforderlichen mehrfachen Meßabgriff verbessern.

Die mögliche Wahl von unterschiedlichen Kennlinien-Charakteristiken bei dem taktilen Sensor weist Vorteile nicht nur beim manuellen Führen eines Effektors auf, wobei der Roboter die vom Programmierer ausgeführte Bewegung in allen Freiheitsgraden aktiv nachführt, sondern vor allem auch bei Anwendung auf eine kraftgeregelte Bewegung, beispielsweise beim Schleifen, Entgraten etc. Hier erfolgt die Nachregelung nicht auf Null, sondern auf einen vorwählbaren Wert von Kraft oder Moment, so daß der Bearbeitungsvorgang - was sonst vom Roboter nicht einstellbar durchgeführt werden kann - ähnlich wie beim Menschen mit vorwählbarem Kraft- und/oder Momentenaufschlag in Abhängigkeit der vorher optimal gewählten Kennlinien- Charakteristik durchgeführt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt im einzelnen

Fig. 1 einen schematischen Regelkreis unter Anwendung des erfindungsgemäßen taktilen Sensors zur Programmierung und Nachführung eines Roboters;

Fig. 2 eine schematische horizontale Schnittdarstellung durch den taktilen Sensor;

Fig. 3 eine schematische Vertikalschnittdarstellung des taktilen Sensors von Fig. 2.

In Fig. 1 ist schematisch mit 3 ein Roboter gezeigt, der mit mehreren Drehachsen und Gelenken versehen ist, von denen schematisch obenliegend ein Gelenk 4 dargestellt ist. Am Ende eines Roboterarmes 5 ist ein übliches Greifwerkzeug 7 angebaut. An einem sog. Greiferansatzpunkt 9 (tool-center-point), an dem üblicherweise das Greifwerkzeug 7 lösbar montiert ist, wird zur Durchführung der Programmierung ein taktiler Sensor 11 eingebaut, an dem dann das Greifwerkzeug 7 angebaut wird. Über den taktilen Sensor 11 kann ein Programmierer eine gewollte Positions- und Orientierungsänderung eines Effektors am Roboter durchführen, indem eine nachfolgend noch näher erläuterte Positions- und Orientierungsänderung erkannt und über eine nachfolgende Steuerung 13 der Roboter 3 so nachgeführt wird, daß die vom Programmierer auf den als Aufnahmeglied dienenden Führungsgriff ausgeübten Kräfte und Momente in allen Freiheitsgraden zu Null geregelt werden.

Der Aufbau des taktilen Sensors 11 wird nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert.

Der taktile Sensor 11 besteht dabei aus einem Rahmen oder Träger 15, beispielsweise mit einer oberen und unteren Bodenplatte 17. Die in Fig. 3 untenliegende Bodenplatte 17 kann beispielsweise an dem bereits erwähnten Greiferansatzpunkt am Ende des Roboterarmes 5 nach vorhergehender Entfernung des Greifwerkzeuges 7 angebaut werden, wobei das Greifwerkzeug 7 dann auf der in Fig. 3 gezeigten obenliegenden Bodenplatte 17 angebaut werden kann.

Der in Fig. 2 und 3 gezeigte Träger ist in etwa quadratisch ausgebildet und weist an seinen Eckpunkten Stützen 19 auf, an denen jeweils in Draufsicht gemäß Fig. 2 in der dort dargestellten Neutral- bzw. Nullpunktlage rechtwinklig kreuzweise verlaufende Paare von Federn 21 angebracht sind. Die jeweils außenliegend an den Stützen 19 des Trägers 15 abgestützten auf Zug beanspruchten Federn 21 führen zu einem in der Mitte liegenden Zentralabschnitt 23 des Aufnahmegliedes 25, welches in Fig. 2 in Form eines um den Träger 15 außen umlaufenden Führungsgriffs bzw. Führungsreifs ausgebildet ist. Dazu ist der Zentralabschnitt 23 zumindest über ein stabförmiges Verbindungselement 27, im gezeigten Ausführungsbeispiel über zwei rechtwinklig zueinander ausgerichteten Verbindungselemente 27 mit dem außen umlaufenden Führungsgriff 25 verbunden.

Ferner sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwölf Meßstellen 29 in Form von zwölf Lichtschranken vorgesehen, um sowohl drei translatorische als auch drei Drehbewegungen unabhängig voneinander zu erfassen.

Mit anderen Worten ist also der Zentralabschnitt 23 durch das gezeigte Vier-Feder-System ohne jede Gelenke praktisch hysteresefrei aufgehängt und seine Auslenkungen aus der Nullpunktlage können durch die erwähnten zwölf Lichtschranken direkt aufgenommen werden. Diese sind derart angeordnet, daß durch die komplexe Auswertung der Lichtschranken-Signale die Bewegungen in jeder translatorischen und in jeder rotatorischen Dimension weitgehend entkoppelt ausgegeben werden können, wobei die Auswertung der Lichtschranken analog oder quasi-analog erfolgt. Damit können also nicht nur die Positionsveränderungen als solche, sondern auch der Grad der Positionsveränderung und damit die Größe der Kraft erfaßt und steuerungstechnisch verarbeitet werden.

Grundsätzlich müßten zur Erkennung der drei translatorischen Bewegungsänderungen in einem rechtwinkligen Koordinatensystem lediglich drei Meßstellen 29 und zur Erkennung dreier rotatorischer Lageveränderungen nochmals drei weitere Meßstellen, also insgesamt sechs Meßstellen, vorgesehen sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel aber ist die Anordnung derart, daß an geeigneten Stellen jeweils mit dem Aufnahmeglied 25 bzw. dem damit verbundenen Zentralabschnitt 23 in Verbindung stehende, geeignet angeordnete Blenden 31 vorgesehen sind, die in ihrer in Fig. 2 oder 3 gezeigten Nullpunktlage jeweils in der Mitte zwischen beidseitig angeordneten Lichtschranken zu liegen kommen. Um also die Richtungsveränderung in der einen wie in der entgegengesetzten Richtung wohl bei translatorischer wie auch bei rotatorischer Lageveränderung zu erkennen, sind deshalb im gezeigten Ausführungsbeispiel zweimal sechs, also zwölf Meßstellen in Form der erwähnten Lichtschranken notwendig.

Die geeignete Erhöhung beispielsweise auf 24 Meßstellen kann eine noch feinere Erkennung ermöglicht werden.

Die Lichtschranken arbeiten dabei beispielsweise mit sog. LED′s, die in Fig. 2 und 3 mit dem Bezugszeichen 2 versehen sind, und mit lichtempfindlichen Widerständen LDR, die in Fig. 2 und 3 mit dem Bezugszeichen 1 versehen sind.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel sind die rechts gezeigten vier lichtabhängigen Widerstände 1 dichter beidseitig der Blenden 31 angeordnet. Die Lichtschranken werden dabei bevorzugt nach Art von Graukeilen betrieben, so daß bei einer gewissen Auslenkung des Aufnahmegliedes 25 aus der Nullpunktlage die Blenden 31 je nach Positionsveränderung mehr oder weniger in die Lichtschrankenstrecke zwischen den lichtemittierenden Dioden 2 und den lichtempfindlichen Widerständen 1 eingreifen und in Abhängigkeit von der mehr oder weniger starken Abdeckung der Widerstände 1 sich bei den lichtempfindlichen Widerständen die empfangene Lichtintensität ändert, wodurch ein lichtintensitätsabhängiges analoges Steuersignal erzeugt werden kann. Auch eine quasi-analoge Steuerung ist denkbar.

Zum Programmieren des Roboters kann also ein Programmierer am Führungsgriff 25 angreifen und hierüber eine beliebige Auslenkung des Zentralabschnittes 23 gegenüber dem Träger 15 bewirken, wobei die entsprechenden Steuerdaten über die Steuerung 13 zur Nachführung des Roboters derart dienen, daß die Kräfte und Momente in allen Freiheitsgraden so zu Null nachgeregelt werden, bis der Zentralabschnitt 23 und damit das Aufnahmeglied 25 wieder in der in Fig. 2 und 3 gezeigten Nullpunkt- bzw. Neutrallage zu liegen kommen. Durch die vier über Kreuz angeordneten Federn wird dabei in der Ebene der Federn 21 durch deren rotationssymmetrische Anordnung immer die gleiche Federkonstante aufrechterhalten, d. h. der Zugwiderstand bleibt unabhängig von der Auslenkung des Zentralabschnittes 23 gleich. Es könnte auch daran gedacht werden, daß beispielsweise in der senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufenden Z-Achse oben und unten liegend jeweils eine weitere Feder 21 angreift. Dies wird aber die Bauhöhe insgesamt vergrößern und ist zudem nicht notwendig. Dann bei kleinen Auslenkungen in einer zur Zeichenebene senkrechten Achse würde die Federkonstante niedriger, bei großen Auslenkungen größer, sie würde aber vor allem im weiten mittleren Bereich der Auslenkung ähnlich hohe Werte wie in der gezeigten Zeichenebene aufweisen, so daß eine zumindest quasi-kugelsymmetrische Federkennlinie erzeugt wird.

Abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel können natürlich auch nur drei oder mehrere in gleichen Abständen angeordnete Federn 21 zur hysteresefreien Aufhängung des Aufnahmegliedes 25 vorgesehen sein.

Nach der erfolgten Programmierung und dem Ausbau des taktilen Sensors 11 muß in der zentralen Steuerung lediglich seine Bauhöhe wieder korrigiert werden, da dann das Greifwerkzeug 7 direkt am Greiferansatzpunkt angebaut wird.

Möglich wäre auch ein der Bauhöhe des gezeigten taktilen Sensors entsprechendes Blindstück einzubauen.

Der erläuterte taktile Sensor 11 kann gleichermaßen aber auch bei allen kraftgeregelten Bewegungen, beispielsweise auch bei Abschleif-, Schleif- oder Entgratungsvorgängen, anderen Bearbeitungsvorgängen oder beispielsweise Fügevorgängen mit verminderter Genauigkeit der Werkstück-Positionierung eingesetzt werden, wo Kräfte bzw. Momente am Greifer sensorisch erkannt werden sollen. Abweichend von dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel würde dabei der als Aufnahmeglied ausgebildete umlaufende Führungsgriff in der Regel entfernt und durch eine Aufhängung für den Greifer bzw. das Bearbeitungswerkzeug ersetzt werden. Die Nachstellung würde dann nicht zu Null, sondern zu einem vorwählbaren Wert verlaufen, so daß dann immer entsprechend der voreingestellten Sollgröße ein beliebig wählbarer Kraftvektor bzw. Drehmomentvektor beim Bearbeitungsvorgang reproduziert werden.

Durch Wahl der Federkonstanten kann quantitativ der Kraft- Momenten-Bereich festgelegt werden, so daß auch über diese leicht auswechselbaren Federn 21 eine an den aktuellen Erfordernissen orientierbare Anpassung vorgenommen werden kann.

Das Meßverfahren erfolgt bei dem geschilderten Ausführungsbeispiel über Lichtschranken. Grundsätzlich sind aber auch andere Meßverfahren denkbar, bei denen beispielsweise an den einzelnen Meßstellen 29 eine Lageveränderung induktiv erkannt und abgegriffen wird.

Claims (10)

1. Taktiler Sensor zur Messung von in unterschiedlichen Richtungen wirkenden Kräften und/oder Momenten mit einem Aufnahmeglied (25), welches aus einer Nullpunktlage heraus zumindest annähernd hysteresefrei mittels elastischer Biege- und/ oder Torsionselemente gegenüber einem Träger (15) auslenkbar ist, und mit einer mehrere Meßstellen (29) umfassenden Meßeinrichtung zur Messung der Translations- und/ oder Rotationsbewegung des gegenüber dem Träger (15) relativ verstellbaren Aufnahmegliedes (25) zur Erzeugung von verstellrichtungs- und verstellgrößenabhängigen Meßsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeglied (25) von dem Träger (15) getrennt ausgebildet und über mehrere Federn (21) am Träger (15) aufgehängt ist, wobei die Federn (21) durch andere Federn (21) mit anderen Federkonstanten ersetzbar sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeglied (25) einen Zentralabschnitt (23) aufweist, über den das Aufnahmeglied (25) mittels den im wesentlichen radial vom Zentralabschnitt (23) wegverlaufenden Federn (21) am Träger (15) aufgehängt ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeglied (25) über mindestens drei, in Draufsicht symmetrisch angeordnete und in der Mitte des Zentralabschnitts (23) angreifende Federn (21) am Träger (15) aufgehängt ist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeglied (25) über vier, in Draufsicht kreuzförmig angeordnete und in der Mitte des Zentralabschnitts (23) angreifende Federn (21) am Träger (15) aufgehängt ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Translationsbewegungen entsprechend drei Freiheitsgraden der Translation mindestens drei versetzt liegende Meßstellen (29) vorgesehen sind.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Rotationsbewegungen entsprechend drei Freiheitsgraden der Rotation mindestens drei versetzt zueinander liegende Meßstellen (23) vorgesehen sind.

7. Sensor nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwölf Meßstellen (29) vorgesehen sind, die jeweils paarweise seitlich versetzt bezüglich der Nullpunkt-Mittellage des Aufnahmegliedes (25) zur richtungsabhängigen Erfassung einer Abweichung aus dessen Nullpunktlage sitzen.

8. Sensor nach Anspruch 5 und 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß vierundzwanzig Meßstellen (29) mit insgesamt doppeltem Abgriff einer richtungsabhängigen translatorischen und rotatorischen Bewegung versetzt zueinander liegend angeordnet sind.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen (29) aus Lichtschranken bestehen, zwischen denen Blenden (31) eintauchbar angeordnet sind, wobei die Lichtschranken stationär am Träger (15) und die eintauchenden Blenden (31) am auslenkbaren Aufnahmeglied (25), angebracht sind.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen (29) aus Lichtschranken bestehen, zwischen denen Blenden (31) eintauchbar angeordnet sind, wobei die Lichtschranken am auslenkbaren Aufnahmeglied (25) und die eintauchenden Blenden (31) am Träger (15) angebracht sind.