DE4004760A1 - Sollwertgeber eines manipulators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Steuerung von Manipulatoren und betrifft insbesondere Sollwertgeber für Manipulatoren.

Die Erfindung kann in Steuersystemen für Industrie­ roboter, ferngesteuerte Manipulatoren und bewegliche ge­ steuerte Objekte, die in Taktstraßen in einem für den Menschen schädlichen Medium und für die Fernsteuerung von Raumschiffen, Unterwasserobjekten und Objekten, welche sich in extremen, durch radioaktive Strahlungen, hohen oder niedrigen Druck, hohe und tiefe Temperaturen gekenn­ zeichnete Zonen befinden, benutzt werden.

Bekannt ist ein Sollwertgeber eines Manipulators (SU, A, 7 39 505), der eine Grundplatte, eine mit der Grund­ platte verbundene Vorrichtung zur Formierung von den Ma­ nipulatorbewegungen entsprechenden Signalen mit Positions­ sensoren und einen Steuergriff, die mit der Vorrichtung zur Formierung von Manipulatorbewegungssignalen in Verbindung steht, umfaßt. Die Vorrichtung zur Formierung von den Manipulator­ bewegungen entsprechenden Signalen enthält zwei über eine Teleskopstange untereinander verbundene Paare von Dreh­ bögen. Auf den Drehachsen der Drehbögen, an der Buchse der Teleskopstange sind Positionsgeber angeordnet. Jeder Drehbogen ist mit einer Einheit zur Fixierung der Bögen in der Neutrallage verbunden.

Der bekannte Sollwertgeber sieht keine Änderung der Konstruktion der Vorrichtung zur Formierung von den Ma­ nipulatorbewegungen entsprechenden Signalen bei der Notwen­ digkeit, Manipulatoren von verschiedenem Typ zu steuern, vor.

Bekannt ist auch ein Sollwertgeber (SU, A, 61 656), der eine Grundplatte, eine mit der Grundplatte verbundene Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbewegungen entsprechenden Signalen mit Positionssensoren und einen mit dieser Vorrichtung verbundenen Steuergriff enthält. Die Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbewegungen entsprechenden Signalen ist in Form von drei Paaren senk­ recht zueinander angeordneter elastischer Parallelplatten ausgeführt. An den Platten sind die Positionssensoren an­ gebracht.

Der bekannte Sollwertgeber sieht keine Änderung des Aufbaus der Vorrichtung zur Formierung von den Manipula­ torbewegungen entsprechenden Signalen bei der Notwendig­ keit, den Manipulator mit einer verschiedenen Zahl von Transportbeweglichkeitsgraden zu steuern, vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sol­ chen Sollwertgeber eines Manipulators zu schaffen, der es gestattet, den Aufbau der Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbewegungen entsprechenden Signalen bei der Notwendigkeit, einen Manipulator mit einer verschie­ denen Anzahl von Transportbeweglichkeitsgraden zu steuern, zu ändern, was die Funktionsmöglichkeiten des Sollwertge­ bers erweitert.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem Sollwertgeber eines Manipulators, der eine Grundplat­ te, eine Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbe­ wegungen entsprechenden Signalen mit Positionssensoren und einen Steuergriff enthält, gemäß der Erfindung die Vor­ richtung zur Formierung von den Manipulatorbewegungen entsprechenden Signalen in Form von hintereinander verbun­ denen Modulen ausgeführt ist, deren Anzahl gleich der Zahl der zu steuernden Transportbeweglichkeitsgrade des Manipulators ist, wobei der erste dieser Module kinematisch mit dem Steuergriff und der letzte mit der Grundplatte verbunden ist und an jedem dieser Module ein eigener Po­ sitionssensor angebracht ist.

Es ist zweckmäßig, die hintereinander verbundenen Module der Vorrichtung zur Formierung von den Manipulator­ bewegungen entsprechenden Signalen als Kombination von Mo­ dulen translatorischer und rotatorischer Bewegung auszu­ bilden.

Es ist möglich, die hintereinander verbundenen Module der Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbewegun­ gen entsprechenden Signalen in Form einer Kombination von Modulen translatorischer Bewegung darzustellen.

Es ist vorteilhaft, jeden Modul translatorischer Bewegung von den hintereinander verbundenen Modulen aus parallelen Führungen, einem in diesen Führungen und auf in Kugelkäfigen untergebrachten Kugeln angeordneten Schlitten und einer in Form eines einarmigen Hebels aus­ geführten Synchronisiereinheit, die mit einer Führung, einem Kugelkäfig und dem Schlitten kinematisch verbunden ist, aufzubauen.

Es ist ratsam, jeden Modul rotatorischer Bewegung von den hintereinander verbundenen Modulen in Form einer inneren und einer äußeren konzentrisch angeordneten Hülse auszuführen, die durch einen mit Kugeln gefüllten Kanal getrennt sind.

Es ist auch zweckmäßig, den ersten Modul von den hintereinander verbundenen Modulen als Modul translato­ rischer Bewegung darzustellen, dessen Führungen kinema­ tisch mit dem Steuergriff und dessen Schlitten starr mit der inneren Hülse des nächstfolgenden Moduls rotatorischer Bewegung verbunden sind, bei dem die äußere Hülse starr mit dem Schlitten des nächstfolgenden Moduls translato­ rischer Bewegung in Verbindung steht, dessen Führungen starr mit den Führungen des letzten Moduls translatori­ scher Bewegung, dessen Schlitten mit der Grundplatte starr verbunden ist, in Verbindung stehen.

Es ist zweckdienlich, daß der erste Modul von den hintereinander verbundenen Modulen einen Modul translato­ rischer Bewegung darstellt, dessen Führungen kinematisch mit dem Steuergriff verbunden sind und dessen Schlitten starr mit dem Schlitten des nächtsfolgenden Moduls trans­ latorischer Bewegung verbunden ist, bei dem die Führungen starr mit den Führungen des letzten Moduls translatori­ scher Bewegung in Verbindung stehen, dessen Schlitten starr mit der Grundplatte verbunden ist.

Es ist durchaus möglich, den ersten Modul von den hintereinander verbundenen Modulen als Modul translatori­ scher Bewegung darzustellen, dessen Führung kinematisch mit dem Steuergriff und dessen Schlitten starr mit der inneren Hülse des nächstfolgenden Moduls rotatorischer Bewegung in Verbindung stehen, bei dem die äußere Hülse starr mit dem Schlitten der letzteren Einheit translato­ rischer Bewegung verbunden ist, deren Führungen starr mit der Grundplatte gekoppelt sind.

Dank dieser Erfindung wird die Universalität des Soll­ wertgebers des Manipulators verbessert, d. h. es bietet sich die Möglichkeit, Manipulatoren mit einer verschiede­ nen Zahl von Transportbeweglichkeitsgraden durch ein und denselben Sollwertgeber zu steuern.

Nachstehend soll die Erfindung durch ein konkretes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Soll­ wertgebers mit drei Modulen translatorischer Bewegung und einem Modul rotatorischer Bewegung;

Fig. 2 Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4 Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 1;

Fig. 5 schematische Darstellung des Sollwertgebers in Axonometrie;

Fig. 6 Gesamtansicht des Sollwertgebers mit drei Modulen translatorischer Bewegung;

Fig. 7 Gesamtansicht des Sollwertgebers mit zwei Modulen translatorischer Bewegung und eines Moduls rota­ torischer Bewegung;

Fig. 8 Blockschema eines Manipulatorsteuersystems.

Der Sollwertgeber eines Manipulators enthält eine Grundplatte 1 (Fig. 1), eine mit der Grundplatte 1 ver­ bundene Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbe­ wegungen entsprechenden Signalen 1, einen mit der Vorrich­ tung zur Formierung von den Manipulatorbewegungen ent­ sprechenden Signalen verbundenen Steuergriff, wobei die Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbewegungen entsprechenden Signalen hintereinander verbundene Module 3, 4, 5, 6 enthält. Die Anzahl der Module ist gleich der Zahl der zu steuernden Transportbeweglichkeitsgrade des Manipulators. Bei dem in Betracht kommenden Beispiel be­ trägt diese Zahl vier. Der Modul 3 ist kinematisch mit dem Steuergriff 2 und der Modul 6 mit der Grundplatte 1 verbunden.

Die hintereinander verbundenen Module der Vorrichtung zur Formierung von Manipulatorbewegungen entsprechenden Signalen stellen beispielsweise eine Kombination von Mo­ dulen translatorischer und rotatorischer Bewegung dar.

Die Module 3, 5, 6 sind Module translatorischer Be­ wegung, der Modul 4 ist eine Einheit rotatorischer Bewe­ gung. Die Module 3, 5, 6 translatorischer Bewegung sind von gleicher Bauart und jeder Modul enthält zwei paralle­ le Führungen, einen in diesen Führungen gelagerten und auf in starr miteinander verbundenen Kugelkäfigen 10 untergebrachten Kugeln 9 angeordneten Schlitten 8, und eine mit einer Führung 7, einem Kugelkäfig 10 und einem Schlitten 8 kinematisch verbundene Synchronisier­ einheit. Die Synchronisiereinheit ist in Form eines ein­ armigen Hebels 11, dessen eines Ende mit Hilfe eines Be­ festigungselementes 12 mit einer der Führungen 7 des Mo­ duls verbunden ist, ausgeführt. Der Hebel 11 ist mit einem Schlitz 13 zur Verbindung mit einem Kugelkäfig 10 und dem Schlitten 8 mit Hilfe von Bolzen 14 bzw. 14′ ver­ sehen. Auf dem Schlitten 8 findet ein Positionssensor 15 Platz, dessen beweglicher Kontakt 16 starr mit einer der Führungen 7 verbunden ist. Mit Hilfe des Positionssensors 15 wird ein Signal für die translatorische Bewegung des Manipulators formiert. Die Führungen 7 des Moduls 3 sind mit dem Steuergriff pendelbar um die Achsen 17 verbunden, an einer von welchen ein Positionssensor 18 angeordnet ist, der ein Signal für die rotatorische Bewegung des Manipu­ lators formiert.

Der Modul 4 rotatorischer Bewegung ist in Form einer inneren und einer äußeren Hülse 19 bzw. 20, die konzen­ trisch angeordnet sind und zwischen denen ein mit Kugeln 22 gefüllter Kanal vorhanden ist, ausgeführt. Auf der Drehachse 23 des Moduls sitzt ein Positionssensor 24, der ein Signal für die Winkelbewegungen des Manipulators for­ miert.

Der Steuergriff 2 ist mit einem Sensor 25, der ein Signal für die Winkelbewegungen bezüglich der Achse 26 mit einem Schalter 27 zum Spannen und Lösen des Manipula­ torgreifers (Greifer nicht mitgezeichnet) formiert und einem Geber 28 zur Formierung von Steuersignalen für die Bewegungsgeschwindigkeit des Manipulators versehen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II nach Fig. 1 dargestellt. Die Kugelkäfige 10 sind untereinander mittels einer Platte 29 zur gleichzeitigen Verstellung in Abhängigkeit von der Verstellung des Steuergriffes 2 ver­ bunden.

In Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie III-III nach Fig. 1 dargestellt.

In Fig. 4 ist ein Schnitt längs der Linie IV-IV nach Fig. 1 dargestellt. Die Kugelkäfige 10 sind mit­ tels einer Platte 29 verbunden.

In Fig. 5 ist eine schematische axonometrische Darstel­ lung des Sollwertgebers eines Manipulators gezeigt.

Es sind verschiedene Kombinationen von Modulen in der Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbewe­ gungen entsprechenden Signalen in Abhängigkeit von der Transportbeweglichkeit des Manipulators möglich.

Die Vorrichtung zur Formierung von den Manipu­ latorbewegungen entsprechenden Signalen enthält z. B. Mo­ dule 3, 5, 6 (Fig. 6) translatorischer Bewegung. In die­ sem Falle ist mittels einer derartigen Vorrichtung die Steuerung des Manipulators in drei zueinander senkrechten Ebenen möglich. Die rotatorischen Bewegungen des Mani­ pulators in bezug auf die zwei zueinander senkrechten Horizontalachsen werden mit Hilfe der Sensoren 18 (Fig. 1) und 25 (Fig. 6) realisiert.

Die Vorrichtung zur Formierung von den Manipulator­ bewegungen entsprechenden Signalen kann Module 3 (Fig. 7), 5 translatorischer Bewegung und einen Modul 4 rotatori­ scher Bewegung in bezug auf die Vertikalachse enthalten. Die rotatorischen Bewegungen in bezug auf die zwei zuein­ ander senkrechten Horizontalachsen werden mit Hilfe der Geber 18 (Fig. 1) und 25 realisiert.

In Fig. 8 ist das Blockschema für die Manipulator­ steuerung dargestellt. Die Positionssensoren der Module 3, 5, 6 translatorischer Bewegung, der Positionssensor 24 des Moduls 4 rotatorischer Bewegung, die Sensoren 18, 25, 28 und der Schalter 27 des Steuergriffes 2 sind mit den Eingängen einer Recheneinrichtung 30, deren Ausgänge an die Eingänge der Antriebe 31 des Manipulators ange­ schlossen sind, verbunden.

Der Bediener steuert die Bewegung des Manipulators durch Verstellen des Steuergriffes 2 (Fig. 1) in nötiger Richtung.

Bei einer Verstellung des Steuergriffes 2 in der senkrechten Richtung wird der Modul 3 translatorischer Bewegung benutzt, dessen Führungen in bezug auf den Schlitten 8 verstellt werden. Hierbei dreht sich der mit dem Schlitten 8 mittels des Bolzens 14′ gekoppelte einar­ mige Hebel 11 der Synchronisiereinheit in bezug auf das Befestigungselement 12. Der Hebel 11 wirkt auf den mit einem Kugelkäfig 10 verbundenen Bolzen 14 und verstellt diesen in Richtung der Bewegung der Führungen 7. Somit findet eine gleichzeitige (synchrone) Verstellung der Führungen 7 und der Kugelkäfige 10 mit den Kugeln relativ zum Schlitten 8 statt. Bei der Verstellung der Führungen 7 relativ zum Schlitten 8 ändert sich die Stellung des beweglichen Kontaktes 16 gegenüber dem Sensor 15. Folg­ lich ändert sich die Größe des dem Sensor 15 entnommenen Signals. Dem Sensor 15 wird ein Signal entnommen, das der Verstellung der Führungen 7 in bezug auf den Schlit­ ten 8 proportional ist. Die dem Ausgang des Gebers 15 entnommenen Signale werden auf einen der Eingänge der Recheneinrichtung 30 (Fig. 8) gegeben.

Bei Drehung des Steuergriffes 2 (Fig. 1) um die Ver­ tikalachse 23 dreht sich die innere Hülse 19 des Moduls 4 rotatorischer Bewegung um die Achse 23. Vom Positions­ sensor 24 werden der relativen Drehung der inneren Hülse 19 in bezug auf die äußere Hülse 20 proportionale Signa­ le entnommen, die auf einen der Eingänge der Rechenein­ richtung 30 (Fig. 8) gegeben werden.

Bei der Verstellung des Steuergriffes 2 (Fig. 1) in der Horizontalebene in zueinander senkrechten Richtungen werden die Signale den Sensoren 15 (Fig. 5) der Module 5 und 6 translatorischer Bewegung entnommen. Die Arbeitswei­ se der Module 5 und 6 sind der der Einheit 3 analog.

Beim Schwenken des Steuergriffes 2 (Fig. 1) um die Achse 17 wird vom Sensor 18 ein der relativen Drehung des Steuergriffes 2 bezüglich der Führungen 7 des Moduls 3 translatorischer Bewegung proportionales Signal abgenommen, das auf einen der Eingänge der Recheneinrichtung 30 (Fig. 8) gegeben wird. Bei der Drehung des Sensors 25 (Fig. 1) um die Achse 26 wird seinem Ausgang ein dem Drehwinkel des Gebers 25 gegen die Achse 26 proportiona­ les Signal entnommen. Durch Einlegen und Auslegen des Schalters 27 kann der Bediener das Spannen und Entspannen des Greifers des Manipulators 31 (Fig. 8) steuern.

Durch Einwirkung auf den Sensor 28 (Fig. 1) formiert der Bediener ein Steuersignal für die Bewegungsgeschwin­ digkeit des Manipulators, das auch auf einen der Eingän­ ge der Recheneinrichtung 30 gegeben wird (Fig. 8).

Die Recheneinrichtung 30 führt eine Umrechnung der Koordinaten aus und formiert Steuersignale für die Bewe­ gung des Manipulators 31. Die Änderungsgeschwindigkeit der Manipulatorbewegung wird durch den Wert des Signals, das dem Geber 28 zur Formierung von Steuersignalen für die Manipulatorbewegungsgeschwindigkeit entnommen wird, bestimmt.

Möglich sind verschiedene Kombinationen von Modulen in der Vorrichtung zur Formierung von Manipulatorbewegungs­ signalen in Abhängigkeit von der Beweglichkeit des Mani­ pulators. Die Arbeitsweisen dieser Module sind analog der Arbeitsweise der Module gemäß Fig. 1. Somit gestattet der Sollwertgeber des Manipulators es, die Bauart der Vor­ richtung zur Formierung von den Manipulatorbewegungen ent­ sprechenden Signalen für den Fall der Steuerung eines Ma­ nipulators mit einer verschiedenen Zahl von Transportbe­ weglichkeitsgraden zu ändern. Die den Positionssensoren der Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbewe­ gungen entsprechenden Signalen entnommenen Signale sind lineare Funktionen der Stellung des Steuergriffes, was die Steuerungsgüte verbessert.

Claims (9)

1. Sollwertgeber eines Manipulators, enthaltend

• - eine Grundplatte (1),
• - eine Vorrichtung zur Formierung von den Manipula­ torbewegungen entsprechenden Signalen mit Positionssen­ soren (15, 24) und
• - einen Steuergriff (2),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Vorrichtung zur Formierung von den Manipula­ torbewegungen entsprechenden Signalen in Form von hinter­ einander verbundenen Modulen (3, 4, 5, 6), deren Anzahl gleich der Zahl der zu steuernden Transportbeweglichkeits­ graden des Manipulators ist, ausgeführt ist,
• - wobei der Modul (3) kinematisch mit dem Steuergriff (2) und
• - der Modul (6) mit der Grundplatte verbunden ist, und
• - an jedem Modul (3, 5, 6) ein eigener Positionssen­ sor (15) und
• - am Modul (4) ein Positionssensor (24) angebracht ist.

2. Sollwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die hintereinander verbun­ denen Module (3, 4, 5, 6) der Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbewegungen entsprechenden Signalen eine Kombination von Modulen translatorischer (3, 5, 6) und rotatorischer Bewegung (4) darstellen.

3. Sollwertgeber nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die hintereinander verbun­ denen Module (3, 4, 5, 6) der Vorrichtung zur Formierung von den Manipulatorbewegungen entsprechenden Signalen eine Kombination von Modulen translatorischer Bewegung (3, 5, 6) darstellen.

4. Sollwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Modul (3, 5 oder 6) translatorischer Bewegung von den hintereinander verbun­ denen Modulen aus parallelen Führungen (7), einem in die­ sen Führungen (7) gelagerten und auf in Kugelkäfigen (10) untergebrachten Kugeln (9) angeordneten Schlitten und einer als einarmiger Hebel (11) ausgeführten Synchroni­ siereinheit, die kinematisch mit einer Führung (7), mit einem Kugelkäfig (10) und dem Schlitten (8) verbunden ist, aufgebaut ist.

5. Sollwertgeber nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - jeder Modul (4) rotatorischer Bewegung von den hintereinander verbundenen Modulen in Form einer inneren und einer äußeren konzentrisch angeordneten Hülse (19 bzw. 20), die durch einen mit Kugeln (22) gefüllten Kanal (21) getrennt sind, ausgeführt ist.

6. Sollwertgeber eines Manipulators nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Modul (3) von den hintereinander verbundenen Modulen einen Modul translatorischer Bewegung darstellt, dessen Führungen (7) kinematisch mit dem Steuergriff (2) verbun­ den sind und dessen Schlitten (8) starr mit der inneren Hülse (19) des nächstfolgenden Moduls (4) rotatorischer Bewegung verbunden ist, dessen äußere Hülse (20) starr mit dem Schlitten (8) des nächstfolgenden Moduls (5) translatorischer Bewegung verbunden ist, bei dem die Füh­ rungen (7) starr mit den Führungen (7) des Moduls (6) translatorischer Bewegung in Verbindung steht, dessen Schlitten (8) starr mit der Grundplatte (1) verbunden ist.

7. Sollwertgeber eines Manipulators nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Modul (3) von den hintereinander verbundenen Modulen einen Modul translatorischer Bewegung darstellt, dessen Führungen kinematisch mit dem Steuergriff (2) und des­ sen Schlitten (8) starr mit dem Schlitten (8) des nächstfolgen­ den Moduls (5) translatorischer Bewegung verbunden ist, bei dem die Führungen (7) starr mit den Führungen (7) des Moduls (6) translatorischer Bewegung in Verbindung stehen, dessen Schlitten (8) starr mit der Grundplatte (1) verbunden ist.

8. Sollwertgeber nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Modul (3) von den hintereinander verbundenen Modulen einen Modul translatorischer Bewegung darstellt, dessen Führungen (7) kinematisch mit dem Steuergriff (2) und dessen Schlitten (8) starr mit der inneren Hülse (19) des nächstfolgenden Moduls (4) rotatorischer Bewegung verbunden ist, bei dem die äußere Hülse (20) starr mit dem Schlitten (8) des Moduls (5) translatorischer Bewe­ gung in Verbindung steht, dessen Führungen (7) mit der Grundplatte (1) starr verbunden sind.