DE4005343A1 - Handregler zur steuerung von bewegungen eines mechanismus - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Handregler, mit dem eine Bedie­ nungsperson die Bewegungen eines Mechanismus steuern kann, wie beispielsweise eines Manipulator-Tochterarmes, eines Kra­ nes, eines Trockenbaggers oder eines Fahrzeugs, wobei der Regler dafür ausgebildet ist, um mehrere Freiheitsgrade des Mechanismus zu steuern.

Für eine geschickte Steuerung eines entfernt gelegenen Mecha­ nismus ist es wünschenswert, daß der Regler bequem verwendet werden kann und die Kräfte wiedergibt, die durch den Mecha­ nismus ausgeübt werden, und zwar insbesondere derart, daß die Ermüdung der Betätigungsperson minimal gehalten wird. Die Be­ quemlichkeit der Verwendung betrifft sowohl die Größe der Verschiebungen, die die Bedienungsperson am Regler vornehmen muß (wobei kleinere Verschiebungen allgemein angenehmer sind), und betrifft die räumliche Entsprechung zwischen den Verschiebungen, die auf den Regler übertragen werden bzw. ausgeübt werden und der entsprechenden Verschiebung, die der Mechanismus dann erfährt.

Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Handregler ge­ schaffen, bei dem eine Bedienungsperson Bewegungen eines Mechanismus steuern kann, wobei der Handregler ein Basis­ teil aufweist, ferner einen Halterungsrahmen, der über drei parallele und nicht teleskopartige Verbindungsarme mit Gelenkkupplungen an jedem Ende verbunden ist, so daß der Rahmen relativ zum Basisteil verschoben oder versetzt werden kann, und wobei ferner ein Betätigungshandgriff durch vier in Reihe angeordnete Verbindungsstücke mit dem Halterungsrahmen verbunden ist, wobei die Verbindungs­ stücke jeweils eine Drehung des Handgriffs um drei unab­ hängige Achsen erlaubt und auch eine lineare Verschiebung des Handgriffes relativ zum Halterungsrahmen erlaubt.

Der Handregler ermöglicht somit sechs Freiheitsgra­ de: eine Drehung um die drei unabhängigen Achsen (wovon zwei in bevorzugter Weise senkrecht zueinander verlaufen) und lineare Verschiebungen parallel zu den drei Achsen, die in bevorzugter Weise senkrecht zueinander verlaufen. Der Handregler kann daher dafür verwendet werden, einen entfernt angeordneten Mechanismus mit verschiedenen Frei­ heitsgraden zu steuern, die miteinander koordiniert werden müssen. Wenn zusätzliche Freiheitsgrade beim Handregler vorgesehen werden sollen, kann der Handgriff mit Schalter ausgestattet sein oder mit anderen Eingabevorrichtungen versehen sein, die von der Bedienungsperson mit ihren Fin­ gern oder Daumen betätigt werden können, während der Hand­ griff festgehalten wird.

In bevorzugter Weise sind in dem Handregler Einrichtungen vorgesehen, um eine Kraftrückkopplung in Relation zu jedem Freiheitsgrad des Handgriffes vorzusehen. Die Rückkopp­ lungskräfte und -momente können direkt proportional zu den Kräften sein, die durch die entsprechenden Gelenkkupplun­ gen des gesteuerten Mechanismus ausgeübt werden, jedoch werden dabei zur Minimalhaltung der Ermüdung der Bedie­ nungsperson einige von dem Mechanismus ausgeübte Kräfte, wie beispielsweise diejenigen Kräfte, die sich aufgrund des Gewichtes eines zu manipulierenden Gegenstandes ergeben, oder aufgrund von Reibungseffekten an den Gelenkkupplungen ergebende Kräfte, teilweise oder vollständig ausgefiltert.

An dem Handregler vorgesehene Sensoren erzeugen elektri­ sche Signale, welche die Kräfte und Drehmomente und die lineare oder winkelmäßige Verschiebung wiedergeben, die von einer Bedienungsperson gemäß einem linearen oder Dreh- Freiheitsgrad ausgeübt bzw. durchgeführt werden. Diese Si­ gnale werden in wünschenswerter Weise zu einem Computer übertragen, der entsprechende Steuersignale an die Motoren des zu steuernden Mechanismus überträgt. Es können ver­ schiedene Steuerungsarten während der Ausführung einer Ar­ beit von einer Bedienungsperson ausgewählt werden, bei­ spielsweise: Positionssteuerung, Geschwindigkeitssteuerung oder Kraftsteuerung (wobei die Verschiebung des Handgrif­ fes jeweils eine entsprechende Verschiebung, Geschwindig­ keitsrate bzw. Geschwindigkeitsveränderung oder Kraft, welche durch den Mechanismus ausgeübt werden, bewirkt); wobei für jeden dieser Betriebsarten der Steuerung auch die Konstanten der Proportionalität verändert werden kön­ nen. Beispielsweise kann für eine Bewegung des Mechanismus in Großausmaß oder -maßstab die Geschwindigkeitssteuerung verwendet werden, um den Mechanismus dorthin zu bewegen, wo eine Aufgabe zu erfüllen ist, und es können dann Bewe­ gungen des Mechanismus entsprechend einem kleinen oder feinen Maßstab durchgeführt werden, und zwar während der Ausführung einer Aufgabe, wobei eine Positionssteuerung gemäß einem Verhältnis 1:1 bevorzugt werden könnte.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Handregler, der an einen Tochterarm ange­ schlossen ist, wobei der Handregler in perspek­ tivischer Darstellung gezeigt ist und der Toch­ terarm schematisch dargestellt ist; und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung in vergrößertem Maßstab des Handreglers der Fig. 1, wobei dieser der Übersichtlichkeit halber in auseinandergezo­ gener Darstellung gemäß zwei Teilen veranschau­ licht ist.

Gemäß Fig. 1 ist ein Handregler 10 mit einem Handgriff 12 gezeigt. Wie im folgenden noch mehr im einzelnen beschrie­ ben werden soll, kann eine Bedienungsperson mit einer Hand den Handgriff 12 um drei Achsen drehen, wobei zwei Achsen zueinander senkrecht verlaufen und kann ferner den Hand­ griff 12 parallel zu drei zueinander senkrecht verlaufen­ den Richtungen verschieben. Der Handregler 10 enthält Sen­ soren (nicht gezeigt), die elektrische Signale vorsehen, welche diese drei Drehbewegungen und diese drei linearen Verschiebebewegungen wiedergeben, wobei diese Signale über Leitungen 14 zu einem Steuercomputer 16 mit einem Tasten­ feld 17 übertragen werden. Der Handregler 10 kann dazu verwendet werden, um eine sehr breite Vielfalt von unter­ schiedlichen Mechanismen zu steuern; in dem gezeigten Aus­ führungsbeispiel wird der Handregler zur Steuerung der Be­ triebsweise eines Tochterarmes 18 eingesetzt. Der Arm 18 besteht aus einem Basisteil 20, welches um eine vertikale Achse gedreht werden kann, ferner einem oberen Arm 22, der an das Basisteil 20 angelenkt ist, einem unteren Arm 24, der an den oberen Arm 22 angelenkt ist, und einem Greifer­ mechanismus oder Werkzeug 26, welches über ein Handgelenk 25 an den unteren Arm 24 angelenkt ist, wobei das Werkzeug 26 auch um seine eigene Längsachse drehbar ist und schließlich auch um eine Achse in der Ebene der Figur drehbar ist. Der Tochterarm 18 hat somit sechs Freiheits­ grade hinsichtlich der Bewegung des Greifers oder Werk­ zeugs 26 und der Computer 16 erzeugt geeignete Steuersi­ gnale über Leitungen 28 für Elektromotoren (nicht ge­ zeigt), die so angeordnet sind, um dieses sechs Bewegung­ gen entsprechend der Bewegung des Handgriffs 12 umzuset­ zen.

Gemäß Fig. 2 hat der Handregler 10 ein Basisteil 30, an welches eine nahezu halbkreisförmige Platte oder Plattform 32 mit Hilfe von drei parallelen Streben 34 mit fester Länge befestigt ist. An jedem Ende jeder Strebe 34 ist eine Gelenkkupplung 36, 37 vorgesehen, die zwei im rechten Winkel verlaufende Schwenkachsen aufweist, wobei eine Ach­ se parallel zu und die andere senkrecht zu der geraden Kante des Halbkreises in jeder der Konstruktionen orien­ tiert ist. Jede der Gelenkkupplungen 37, welche die Stre­ ben 34 mit dem Basisteil 30 gelenkig verbinden, enthält einen Drehsensor (nicht gezeigt), um ein Signal zur Steue­ rung des Steuercomputers 16 (siehe Fig. 1) vorzusehen, und enthält einen Elektromotor 38, um auf die Strebe 34 ein Drehmoment zu übertragen, und um zu ermöglichen, daß Kräf­ te auf den Handregler 10 rückgekoppelt werden. Im Hinblick auf die Gelenkkupplungen 36, 37 kann die Plattform 32 und auch der Handgriff 12 parallel zu der geradlinigen Kante oder Rand des Halbkreises (Achse X) oder senkrecht zu die­ ser Kante (Achse Y) oder tatsächlich parallel zu irgend­ einer Richtung in der X-Y-Ebene bewegt oder verschoben werden, d.h. die Ebene der Plattform 32. Zwei der Gelenk­ kupplungen 37 sind so angeordnet, daß die Achsen der Moto­ re 38 parallel zur X-Achse verlaufen (so daß dadurch Rück­ kopplungskräfte in der Y-Richtung vorgesehen werden), und die andere Gelenkkupplung 37 ist hinsichtlich der Achse des Motors 38 parallel zur Y-Achse angeordnet (so daß eine Rückkopplungskraft in der X-Richtung vorgesehen wird).

In der Mitte der geradlinigen Kante der Platte oder Platt­ form 32 ist ein rechteckförmiger Ausschnitt 40 ausgebil­ det, in ein rechteckförmiger Rahmen 42 eingesetzt wird, der sich senkrecht zur Ebene der Plattform 32 erstreckt, und der fest an dieser befestigt ist, und zwar mit Hilfe einer Konsole 44 (der Rahmen 42 und die Plattform 32 sind auseinander genommen dargestellt). Ein Halterungsblock 46 ist entlang der Länge des Rahmens 42 verschiebbar bzw. kann in den Rahmen 42 gleiten, so daß dadurch eine Bewe­ gung des Handgriffs 12 senkrecht zur Plattform 32 parallel zur Achse Z möglich ist. Ein U-förmiges Jochteil 48 ist drehbar an dem Halterungsblock 46 befestigt, ferner ist ein zweites Jochteil 50 drehbar zwischen den Seitenab­ schnitten des Jochteiles 48 befestigt und der Handgriff 12 ist drehbar mit dem Mittelteil oder der Mitte des zweiten Jochteiles 50 verbunden. Es kann daher der Handgriff 12 um seine eigene Achse A gedreht werden und ferner auch um zwei zueinander senkrecht verlaufende Achsen B und C. Sen­ soren (nicht gezeigt) erzeugen Signale für den Steuercom­ puter 16 (siehe Fig. 1), welche diese drei Drehbewegungen (um die Achsen A, B und C) wiedergeben und auch die line­ are Verschiebung parallel zur Z-Achse wiedergeben. Zusätz­ lich sind Elektromotore (nicht gezeigt) vorgesehen, um die Möglichkeit zu schaffen, daß Rückkopplungs-Drehmomente hinsichtlich jeder Achse A, B und C aufgebracht bzw. zuge­ führt werden können, und um eine Rückkopplungskraft aufzu­ bringen oder zuzuführen, um einer Verschiebung in Richtung der Z-Achse entgegenzuwirken.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei dem in Fig. 1 gezeigten Gerät zusätzlich zu den Steuersignalleitungen 14 und 28, die gezeigt sind, auch noch Rückkopplungssignalleitungen (nicht gezeigt) vorhanden sind, welche Signale für den Computer 16 vorsehen, welche die Kräfte und die Drehmomen­ te wiedergeben, welche durch den Tochterarm 18 ausgeübt werden, und daß ferner auch Rückkopplungssteuerleitungen vorgesehen sind, welche Steuersignale für die Elektromoto­ re 38 auf dem Basisteil 30 vorsehen und auch für die ver­ schiedenen Elektromotor (nicht gezeigt), die am Rahmen 42 gehaltert sind. Während des Betriebes des Handreglers 10 kann eine Bedienungsperson mit Hilfe des Tastenfeldes 17 den Computer 16 programmieren, so daß die Rückkopplungs­ kräfte geändert werden; es kann beispielsweise das Gewicht eines Gegenstandes, der von dem Arm 18 getragen werden soll, ausgefiltert werden, es können ferner einige oder alle Kräfte (und Drehmomente), die von dem Arm 18 ausgeübt werden, reflektiert werden oder es können die Verhältnisse zwischen Kräften, die von dem Arm 18 ausgeübt werden, und denjenigen Kräften, die vom Handregler 10 reflektiert wer­ den, geändert werden. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß durch die Verwendung des Tastenfeldes 17 die Bedie­ nungsperson auch die Betriebsart modifizieren oder ändern kann, in welcher die Bewegungen des Handgriffes 12 Bewe­ gungen des Tochterarmes 18 verursachen, wobei ferner auch eine Positionssteuerung, Kraftsteuerung oder Geschwindig­ keitssteuerung ausgewählt werden kann, wie dies an frühe­ rer Stelle bereits erläutert wurde, oder auch die Empfind­ lichkeit eingestellt werden kann, mit welcher der Tochter­ arm 18 anspricht.

Wenn weitere Freiheitsgrade eines Mechanismus gesteuert werden sollen, kann der Handregler 10 zusätzliche Eingabe­ vorrichtungen aufweisen. Wenn beispielsweise der Handreg­ ler 10 auch dazu dienen soll, die Betriebsweise einer Greifvorrichtung oder eines Werkzeugs 26 zu steuern, wel­ che am Ende des Tochterarmes 18 vorgesehen ist, so kann dies mit Hilfe von Signalen erfolgen, die von einem Auslö­ ser, einem Schalter, einem Daumen-Joystick oder einem Gleit-Kippschalter (nicht gezeigt) stammen, die für eine bequeme Bedienungsperson am Handgriff 12 montiert sind.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Regler von dem gezeigten Ausführungsbeispiel wesentlich hinsichtlich sei­ ner Gestalt und hinsichtlich des detailierten Mechanismus unterscheiden kann, ohne daß dadurch jedoch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. So kann beispiels­ weise die halbkreisförmige Platte 32, durch die die drei Gelenkkupplungen 36 mit dem rechteckförmigen Rahmen 42 be­ festigt sind, durch drei getrennte Stützen oder Konsolen ersetzt werden. Die Zahl der parallel verlaufenden Streben 34, durch die eine lineare Bewegung parallel zu den zwei Achsen X und Y ermöglicht wird, kann vier anstelle von drei betragen. Der Halterungsblock 46 kann gleitend ent­ lang der Außenseite eines oder mehrerer Gleitstäbe befe­ stigt sein anstelle einer gleitenden Befestigung innerhalb des Rahmens 42, um dadurch eine lineare Bewegung parallel zur Z-Achse vorzusehen. Ferner können die Gestalten und Formen der Jochteile 48 und 50 und auch die Orientierungen der drei Drehachsen A, B und C von den beschriebenen ab­ weichen.

Der Handregler 10 nach der vorliegenden Erfindung bildet eine vergleichsweise einfach aufgebaute, kompakte ver­ schiebbare Steuereingabevorrichtung, die bequem von einer Bedienungsperson verwendet werden kann, und die eine Kraft-(und Drehmoment-)Rückkopplung hinsichtlich aller sechs Bewegungsfreiheitsgrade ermöglicht. Die Verwendung des Handreglers 10 erfordert nur eine einzige Hand. So kann beispielsweise der Handregler dafür verwendet werden, die Betriebsweise eines Unterwasser-Manipulatorarmes zu steuern, um eine Oberflächenbehandlung einer Meereskon­ struktion durch Schleifen vorzunehmen; er kann jedoch auch dafür verwendet werden, einen Manipulatorarm zu steuern, der dazu dient, eine Raumstation im All zusammenzubauen.

Claims (2)

1. Handregler zur Steuerung von Bewegungen eines Mechanis­ mus durch eine Bedienungsperson, mit einem Basisteil und einem Betätigungshandgriff, der über eine Einrichtung mit sechs Bewegungsfreiheitsgraden mit dem Basisteil verbunden ist, gekennzeichnet durch einen Halterungs­ rahmen (32, 42) der über drei parallele, nicht teleskoparti­ ge Verbindungsstreben (34) mit dem Basisteil verbunden ist, wobei an jedem Ende der Streben eine Gelenkkupplung vorgese­ hen ist, so daß Verschiebungen des Rahmenteiles relativ zum Basisteil möglich sind, und durch einen Betätigungshandgriff (12), der über vier in Reihe angeordnete Verbindungsstücke (50, 48, 46) mit dem Halterungsrahmen (32, 42) verbunden ist, wobei die Verbindungsstücke jeweils eine Drehung des Handgriffs (12) um drei unabhängige Achsen (A, B, C) und eine lineare Verschiebung des Handgriffs (12) relativ zum Halterungsrahmen (32, 42) erlauben.

2. Handregler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Einrichtung (38) vorgesehen ist, um eine Kraft- und Drehmomentrückkopplung in Relation zu jedem Bewegungsfreiheitsgrad des Handgriffes vorzuse­ hen.