DE3902247A1 - Vorrichtung zur steuerung der bewegungsablaeufe von handlingsystemen oder robotern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Bewegungsabläufe von Handlingsystemen oder Robotern mit Abgriffen, Stellgliedern und Regelkreisen.

Roboter erhalten Steuerbefehle nach einem vorgegebenen Programm. Regelkreise mit Stellmotoren und Abgriffen für die Lagerückmeldung sorgen dafür, daß die Steuerbefehle ausgeführt und ein bestimmter Teil, üblicherweise ein Werkzeug, eine kommandierte Bewegung ausführt. Die Stellmotoren können dabei eine erhebliche Kraft ausüben. Eine Fehlfunktion des Roboters beispielsweise durch Defekt eines Abgriffs oder eines Regelkreises, kann daher zu recht gefährlichen Situationen führen. Roboter und automatische "Handlingsysteme" dürfen daher aus Sicherheitsgründen nur in abgeschlossenen Räumen betrieben werden, die während des Betriebes des Roboters für Menschen nicht zugänglich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Roboter oder ein Handlingsystem so auszubilden, daß es auch in der Nähe von Menschen betrieben werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

• a) die Abgriffe und Regelkreise redundant vorgesehen sind und
• b) eine Überwachungs- und Sicherheitsschaltung vorgesehen ist, die auf Signalabweichungen zwischen den redundanten Abgriffen anspricht.

Durch die redundante, also vermehrfachte Anordnung der Regelkreise und Abgriffe, werden Fehlfunktionen festgestellt. Es kann dann entweder der Roboter abgeschaltet werden oder, wenn die Regelkreise und Abgriffe mehr als dreifach redundant vorgesehen sind, ein falsches Signal erkannt und eliminiert werden.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter­ ansprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Roboter.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Steuerung der Bewegungsabläufe des Roboters von Fig. 1.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm und zeigt schematisch die redundante Steuerung und eine zusätzliche Kontrolle der von dem Werkzeug o. dgl. erreichten Stellung durch einen inertialen Lagegeber.

Ein erster Roboterarm 10 ist um eine in Fig. 1 vertikale Rollachse 12 drehbar. In dem ersten Roboterarm 10 ist ein zweiter Roboterarm 14 um eine Nickachse 16 schwenkbar gelagert. Der Roboterarm 14 ist durch Stellmotoren 18 und 20 verstellbar. Die Stellmotoren 18, 20 werden von einem Steuerrechner 22 über drei Prozessoren 24, 26, 28 angesteuert, wobei das Stellsignal an dem Stellmotor 18 oder 20 aus den von den drei Prozessoren 24, 26, 28 gelieferten Signalen durch eine Auswahlschaltung 30 gewonnen wird, die beispielsweise jeweils das mittlere von drei Signalen (Median) als Ausgangssignal ausgibt. Auf der Nickachse 16 sitzt beispielsweise ein digitaler Winkelgeber 32. Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, werden die Abgriffsignale durch drei Abgriffe 34, 36 und 38 dreifach redundant erzeugt. Die so erhaltenen drei Abgriffsignale werden als Lagerückmeldung auf die drei Prozessoren 24, 26 und 28 zurückgeführt. Die drei Prozessoren bilden Regler zur Ansteuerung der Stellmotore 18 und 20, welche den von den Abgriffen 34, 36 und 38 gelieferten Istwert der Winkellage mit dem von dem Steuerrechner 22 jeweils gelieferten Sollwert vergleichen und entsprechende Steuersignale für die Stellmotore 18 und 20 liefern. Eine Kontrollschaltung 40 (Fig. 3) überwacht die drei Signale von den drei Abgriffen 34, 36 und 38 und eliminiert ein Signal, das von den beiden anderen um mehr als einen vorgegebenen Betrag abweicht.

An dem zweiten Roboterarm 14 ist ein dritter Roboterarm 42 um eine dritte Achse 44 schwenkbar gelagert, wobei die dritte Achse 44 parallel zu der zweiten Achse 16, also auch eine Nickachse ist. Der dritte Roboterarm 42 ist durch Stellmotore 46 und 48 um die dritte Achse 44 gegenüber dem zweiten Roboterarm 14 verschwenkbar. Die Schwenkbewegung des dritten Roboterarmes 42 gegenüber dem zweiten Roboterarm 14 wird durch einen digitalen Winkelgeber 50 abgegriffen. Der Winkelgeber 50 hat ebenfalls drei unabhängige Abgriffe 52, 54 und 56.

Die drei Prozessoren 22, 24 und 26 können auch zur dreifach redundanten Regelung der Bewegung des dritten Roboterarmes 42 um die zweite Achse 44 benutzt werden. Sie erhalten dann den Sollwert oder die Führungsgröße für diese Bewegung von dem Steuerrechner 22 und je ein Abgriffsignal von den Abgriffen 52, 54 und 56 und steuern die Stellmotore in ähnlicher Weise wie dies in Fig. 3 für die zweite Achse 16 dargestellt ist.

Auf die gleiche Weise erfolgt die redundante Steuerung eines vierten Armes 58, der gegenüber dem dritten Arm 42 um eine Rollachse 60 verdrehbar ist.

Auf die gleiche Weise erfolgt auch die redundante Steuerung eines fünften Armes 62 durch Stellmotoren 64 und 66 um eine fünfte Achse 68 und die Steuerung eines sechsten Armes 70 um eine sechste Achse 72, die wieder eine Rollachse ist und senkrecht zu der fünften Achse 68 verläuft.

Mit dem sechsten Arm 70 ist ein inertialer Lagegeber 74 verbunden. Der inertiale Lagegeber 74 enthält drei zueinander senkrecht angeordnete Beschleunigungsmesser. Durch zweifache Integration der Beschleunigungen unter Berücksichtigung der Orientierung des Lagegebers 74, die aus den Winkeln der Abgriffe ermittelt werden kann, ergeben sich die Lagekoordinaten. Diese werden mit der Position verglichen, die, wie in Fig. 3 durch Block 76 dargestellt ist, aus den kommandierten Winkelsignalen des Steuerrechners 22 ermittelt wird. Der Vergleich ist in Fig. 3 durch Block 78 dargestellt. Bei einer kritischen Abweichung der Positionen wird der Roboter stillgesetzt.

Durch die redundante Anordnung wird ein hohes Maß an Sicherheit des Roboters erreicht, die es möglich macht, einen solchen Roboter in der Nähe eines menschlichen Körpers zu betreiben. Es wird dadurch auch möglich, den Roboter als operationsunterstützendes Gerät bei der Behandlung des Menschen einzusetzen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Steuerung der Bewegungsabläufe von Handlingsystemen oder Robotern mit Abgriffen, Stellgliedern und Regelkreisen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• a) die Abgriffe (32, 34, 36) und Regelkreise (22, 24, 26) redundant vorgesehen sind und
• b) eine Überwachungs- und Sicherheitsschaltung (40) vorgesehen ist, die auf Signalabweichungen zwischen den redundanten Abgriffen anspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgriffe (32, 34, 36) und Regelkreise (22, 24, 26) wenigstens dreifach redundant vorgesehen sind und die Überwachungs- und Sicherheitsschaltung (40) ein fehlerhaftes Signal eliminiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmotore (16, 18...) bei Auftreten einer Signalabweichung abschaltbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) an dem vorderen Teil des Handlingsystems oder Roboters ein inertialer Lagegeber (70) angebracht ist, welches aus inertial gewonnenen Meßgrößen Lagesignale erzeugt, welche die Lage des besagten vorderen Teils wiedergeben, und
• b) die Lagesignale mit den Steuersignalen verglichen werden und bei einer Abweichung die Stellmotore stillgesetzt werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als operations­ unterstützendes Gerät bei der Behandlung von Menschen.