DE68928075T2

DE68928075T2 - Master-Slave-Manipulatorsystem

Info

Publication number: DE68928075T2
Application number: DE68928075T
Authority: DE
Inventors: Tatsu Aoki; Taro Iwamoto; Kichio Nakajima; Shinichi Takarada; Akira Tsuchihashi; Hiroshi Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-10-19
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2009-10-18
Also published as: DE68928075D1; US5105367A; EP0364947B1; EP0364947A2; EP0364947A3; CA2000818A1; CA2000818C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Manipulatorsystem, das von einer Bedienungsperson betätigt wird, und insbesondere auf ein Manipulatorsystem, das es einer Person ermöglicht, manuelle Operationen an einem von einer Arbeitsstelle entfernten Punkt durchzuführen, welcher für ihn eine unverträgliche Umgebung darstellt, z. B. den Weltraum.
Die Steuerung von komplizierten Operationen der konventionellen Manipulatoren erfordert das Geschick oder die Fähigkeit einer Bedienungsperson. Im Fall eines Greifmanipulatorsystems (Master-Slave-Manipulator) kann der Hauptarm (Masterarm), da sein Aufbau der gleiche oder analog dem des Folgearms (Slavearm) ist, eine Form annehmen, die sich zur Steuerung durch die Bedienungsperson nicht eignet, und kann so groß sein, daß er die Betätigung durch die Bedienungsperson verhindert, oder kann so konstruiert sein, daß er keine empfindlichen manuellen Betätigungen durchführen kann.
Seit hochentwickelte elektronische Hardware und Systemsoftware während der letzten Dekade verfügbar sind, werden Computer verwendet, um die hochentwickelte Steuerung von Manipulatoren oder Robots zu erzielen. Zu den Beispielen eines solchen Manipulatorsystems gehört das von Seite 40 bis Seite 45 in IECON 84 beschriebene. In diesem Manipulatorsystem haben der Hauptarm und der Folgearm verschiedenen Aufbau, und ein Computer führt mit hoher Geschwindigkeit Koordinatentransformationsoperationen durch, um 1 - 1 Übereinstimmung zwischen den Bewegungen des Hauptarms und denen des Folgearms zu erzielen.
Dieses Greifmanipulatorsystem mit Armen verschiedenen Aufbaus hat Vorteile insofern, als der Betriebsbereich des Folgearms ausgedehnt werden kann, und daß der Hauptarm so konstruiert sein kann, daß er sich dem Körper der Bedienungsperson anpaßt, was eine Verbesserung der Funktionsfähigkeit des Hauptarms ermöglicht, d.h., der Leichtigkeit, mit der der Hauptarm verwendet werden kann.
Somit ermöglicht die Verwendung von Computern in einem Manipulatorsystem die Verbesserung der Betriebsfähigkeit und der Bedienbarkeit des Systems, d.h., die Fähigkeit, mit der das System Arbeit durchführen kann. Computer können in dem Manipulatorsystem effektiver verwendet werden, um die Betriebsfahigkeit und Bedienbarkeit des Systems durch eine Untersuchung des Haupt-Folgearm-Mechanismus zu verbessern. Solche Forschungen sind von Seite 3 bis Seite 13 und von Seite 14 bis Seite 21 in dem Journal of the Japan Robots Association Nr. 5 Band 4 beschrieben, veröffentlicht im Oktober 1986.
Jedoch wurden in der oben beschriebenen Forschung die Nachlaufeigenschaft und die Rechenzeit untersucht, aber die Leichtigkeit, mit der die Haupt- Folgearme betätigt werden können, ist nicht ausreichend untersucht worden.
Eine Hauptarmstruktur, die verbessert wurde, um die Leichtigkeit, mit der sie betätigt werden kann, zu verbessern, ist in der Literatur der Japan Robots Association veröffentlicht worden. Diese Technik berücksichtigt jedoch nicht die Betriebsfähigkeit des gesamten Greifmanipulatorsystems einschließlich des Hauptarms.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 63-22283 beschreibt eine Hauptarmstruktur, die verbessert wurde, um die Fähigkeit zu verbessern, mit der manuelle Operationen mit dem Hauptarm durchgeführt werden können.
Um die Leichtigkeit zu verbessern, mit der der Hauptarm des Manipulators betätigt werden kann, müssen die Ausrichtung der Augen und der Hände einer Person, der Winkel, um den das Handgelenk gebogen, verdreht oder gegen bzw. weg von dem Körper der Person geneigt ist, und die Freiheitsgrade und der Bereich der Bewegungen eines Arms berücksichtigt werden, wenn die Struktur eines Hauptarms bestimmt werden soll.
Die Struktur eines Folgearms ist begrenzt durch den Inhalt der durchzuführenden Arbeit, seine Faltfähigkeit und seinen Operationsbereich.
Es sind auch singuläre Punkte in Betracht zu ziehen, wenn die Betriebsfähigkeit und die Bedienbarkeit verbessert werden sollen.
Wenn man diese Faktoren ebenso wie das Kontrollsystem in Betracht zieht, kann die Betriebsfähigkeit und die Bedienbarkeit eines integrierten Greifmanipulatorsystems verbessert werden.
Der Hauptarm und der Folgearm haben beide verschiedene Abschnitte und ähnliche Abschnitte in ihren Strukturen, da die Struktur des Hauptarms bestimmt ist durch den Körperbau des Menschen und die Struktur des Folgearms bestimmt ist von der Anwendung.
Wenn ein Manipulatorsystem mit einem Hauptarm und einem Folgearm mit verschiedenen Dimensionen und Bauformen verwendet wird, müssen die Bewegungen des Hauptarms und diejenigen des Folgearms in 1 - 1 Übereinstimmung sein, was die Verwendung einer Koordinatentransformationseinheit notwendig macht. Wenn ein kleiner Hauptarm gesteuert wird, um einen großen Folgearm in einer großen Bewegung zu bewegen, muß der Maßstab der Operation vergrößert werden. Außerdem muß der Maßstab der Operation reduziert oder der Anfangspunkt der Operation verschoben werden, wenn der kleine Hauptarm gesteuert wird, um den großen Folgearm für die Durchführung detaillierter Arbeit in verschiedenen Abschnitten eines großen Operationsbereichs des Folgearms zu steuern.
Diese Vergrößerungen und Reduktionen in Maßstab und Anfangspunktverschiebung erfordern eine Koordinatentransformationszusatzeinheit zum weiteren Transformieren der Daten der Koordinatentransformationseinheit. In dem Manipulatorsystem mit einem Hauptarm und einem Folgearm, die beide 6 Freiheitsgrade haben, wird die Steuerung des Systems unmöglich, wenn das Rotationszentrum der einen Bewegungsachse mit dem einer anderen Bewegungsachse zusammenfällt. Ein solches Problem, das einen singulären Punkt betrifft, kann gelöst werden durch Verbesserung der Struktur des Hauptarms und durch Verbesserung des Steuersystems des Folgearms.
In EP-A-200091 ist ein Greifmanipulatorsystem gezeigt, bei dem drei Teile für die vertikale Handbiegebewegung, die horizontale Handbiegebewegung und die Handverdrehbewegung kollektiv vorgesehen sind, so daß die Bedienungsperson den Manipulator in Übereinstimmung mit den intuitiven Bewegungen der Bedienungsperson glatt betätigen kann. Die drei Bewegungen werden durch drei Abfühlvorrichtungen unabhängig bestimmt, um den Folgemanipulator auf gleiche Art anzutreiben. Ein Verbindungsteil des Hauptmanipulators umfaßt vier Teile eines ersten Hebels, die um eine Achse X schwenkbar sind, einen zweiten Hebel, der um die Achse Y schwenkbar ist, ein Verbindungsteil und ein Verbindungsglied, das ein transformierbares Parallelogramm mit drei Universalgelenken als Gelenk bildet. Außerdem ist der Hauptmanipulator mit einer Transformierbaugruppe für Biegebewegung und einer sphärischen Lagerbaugruppe versehen.
GB-A 1092 950 bezieht sich auf einen Fernsteuerungsmanipulator, bei dem die Bewegungen einer Steuereinheit, die durch eine Bedienungsperson bewegt wird, durch eine Manipulatoreinheit reproduziert wird durch elektrische Signale von der Steuereinheit.
Die Betätigung des Folgemanipulators wird so durchgeführt, daß das entsprechende Folgeelement in einem Abstand proportional zu dem Abstand bewegt wird, um den die Hauptkomponente bewegt worden ist, und in einer Richtung abhängig von der Richtung der Hauptkomponente. Das bedeutet, daß der Folgemanipulator in einer 1-1 Relation mit der Bewegung des Hauptmanipulators bewegt wird, der durch eine Bedienungsperson betätigt wird, und die Bewegungen werden in elektrische Signale übertragen, die einer Steuereinheit zugeführt werden, die den Folgemanipulator entsprechend den Bewegungen des Hauptmanipulators steuert. Somit sind die Bewegungen der Gelenke des Hauptarms und des Folgearms genau in einer 1-1 Beziehung mit der Bewegung zwischen jedem Hauptelement und einer entsprechenden Folgekomponente korreliert. Die Achsen (Nickachse, Gierachse, Rollachse) des Hauptarms sind alle parallel.
Die vorliegende Erfindung soll die Probleme lösen, die die Leichtigkeit betreffen, mit der das System unter dem Gesichtspunkt eines Gesamt-Greifmanipulatorsystems betätigt werden kann.
Im Hinblick auf die oben erwähnten Probleme aus dem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Greifmanipulatorsystem zu schaffen, das sowohl hinsichtlich der Struktur und des Steuersystems des Gesamtsystems verbessert ist, um verbesserte Betriebsfähigkeit und Bedienbarkeit zu erzielen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Greifmanipulatorsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen definiert.
Zu diesem Zweck sieht die vorliegende Erfindung ein Greifmanipulatorsystem vor, das einen Hauptarm mit 6 oder mehr Bewegungsachsen umfaßt, und einen gelenkigen Folgearm mit 6 oder mehr Bewegungsachsen. Der Hauptarm hat einen Armkörper und eine Handgelenk-Baugruppe, die mit dem Armkörper verbunden ist. Die Handgelenk-Baugruppe des Hauptarms ist so konstruiert, daß eine Nickachse, eine Gierachse und eine Rollachse davon außerhalb des Raume angeordnet sind, der vorbestimmte Dimensionen in X-, Y- und Z-Richtungen hat und derart, daß die Abtriebsachsen der Nickachse, der Gierachse und der Rollachse gegen einen Greifer gerichtet sind, indem sie um den Greifer herum den Raum bilden. Der Folgearm hat eine Handgelenk-Baugruppe, die so konstruiert ist, daß die verbindenden Teile zwischen einer Nickachse, einer Gierachse und einer Rollachse verkürzt werden und daß die Abtriebsachsen der drei Achsen von den zugehörigen Montageabschnitten weggerichtet sind, um die Nickachse, die Gierachse und die Rollachse in einem Raum mit vorbestimmten Dimensionen in X-, Y- und Z- Richtung aufzunehmen, die von denen der Handgelenkbaugruppe des Hauptarms verschieden sind.
Der Hauptarm wird durch eine Bedienungsperson gesteuert und hat vorzugsweise einen Aufbau und eine Größe, die es der Bedienungsperson ermöglichen, ihn sanif durch geringe Bewegungen eines Arms zu bewegen und ihn eindeutig zu bewegen, so daß keine Bewegungsachse hiervon mit einer anderen Bewegungsachse im gesamten Operationsbereich zusammenfällt.
Der Folgearm hat vorzugsweise eine Größe, mit der er in einem erforderlichen Raum manuelle Operationen durchführen kann. Der Folgearm hat eine Struktur, die für die Bearbeitung eines Werkstücks geeignet ist und es erlaubt, es von einem Platz zu einem anderen leicht zu übertragen.
Um der Bedienungsperson zu ermöglichen, dieses Greifmanipulatorsystem wirksam zu verwenden, kann das System vorzugsweise eine sekundäre verallgemeinerte Koordinatentransformationseinheit umfassen, die den Maßstab der Operationen von Hauptarm und Folgearm frei ändert und die den Anfangspunkt der Operation so verschiebt, daß der Hauptarm seine Operationsgrenzen nicht überschreitet.
Das Greifmanipuliersystem kann auch die Funktion der Steuerung des Systems umfassen, so daß der Folgearm keinen singulären Punkt überstreicht.
Somit erhält man ein Greifmanipulatorsystem mit verbesserter Betriebsfähigkeit und Bedienbarkeit.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Greifmanipulatorsystems mit einem Hauptarm und einem Folgearm mit verschiedener Ausbildung;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des Systems nach Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine Detektierschaltung für den Drehwinkel in dem System nach Fig. 1;
Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer zentralen Verarbeitungseinheit;
Fig. 5 erläutert das Prinzip der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine Draufsicht, die die Ausrichtung einer Person im Verhältnis zum Hauptarm erläutert;
Fig. 7 ist eine Seitenansicht der Fig. 6;
Fig. 8, 9, 10 und 11 zeigen Beispiele des Hauptarms; und
Fig. 12 und 13 zeigen Beispiel eines Folgearms.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in Einzelheiten beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Vor der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird zuerst das Prinzip der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben. In Fig. 5 haben ein Hauptarm 101 und ein Folgearm 102 verschiedene Strukturen. Unter der Annahme, daß das Standardkoordinatensystem des Hauptarms 101 M ist, daß die Koordinatentransformationsmatrix zwischen dem Standardkoordinatensystem M und dem Koordinatensystem des vorderen Endes des Hauptarmes 101 T&sub6;m ist, daß das Standardkoordinatensystem des Folgearmes 102 S ist, daß die Koordinatentransformationsmatrix zwischen dem Standardkoordinatensystem S und dem Koordinatensystem des vorderen Endes des Folgearmes 102 T&sub6;S ist, und daß die Maßstabstransformationsmatrix zwischen den Koordinatentransformationsmatrizen K ist, werden die Koordinatentransformationsoperationen wie folgt durchgeführt:
Zuerst wird die Koordinatentransformationsmatrix T&sub6;m aus dem Parametern der individuellen Verbindungsglieder des Hauptarms 101 und den Positionen der Drehgelenke der Verbindungsglieder erhalten. Dann wird eine Koordinatentransformationsoperation durchgeführt, ausgedrückt durch die folgende Gleichung. Diese Koordinatentransformationsoperation enthält eine Änderung des Maßstabs zwischen der Koordinatentransformationsmatrix T&sub6;m und der Koordinatentransformationsmatrix T&sub6;s und der Verschiebung des Anfangspunktes.
T&sub6;s = K T&sub6;m ... (1)
Darin
wenn d = e = f = 0 sind, ist der Wert von T&sub6;s a mal der Wert von T&sub6;m in Richtung der X-Achse des Standardkoordinatensystems M des Hauptarms 101, b mal das von T&sub6;m in der Richtung der Y-Achse und x mal das von T&sub6;m in der Richtung der Z-Achse. T&sub6;m ist einheitlich in den Richtungen der drei Achsen vergrößert, um T&sub6;s zu erhalten, indem man a = b = c setzt. Hierauf werden aus der Transformationsmatrix T&sub6;s, die man durch Gleichung 1 erhält, und die Gliedparameter des Folgearms 102 erwünschte Werte der individuellen Achsen des Folgearms erhalten mit Hilfe der inversen Koordinatentransformationsoperation. Hierauf werden die individuellen Achsen des Folgearms unter Verwendung der gewünschten Werte der individuellen Achsen, die so erhalten wurden, servokontrolliert, um die Bewegung des Hauptarms 101 in einem vergrößerten oder verkleinerten gewünschten Maßstab in dem Folgearm 102 zu reproduzieren, innerhalb des Operationsbereichs beider Arme ohne Rücksicht auf die Bauform der Arme.
Wenn dann a = b = c = 1 ist, ist T&sub6;m parallel um d in Richtung der X- Achse des Standardkoordinatensystems M des Hauptarms 101 versetzt, um e in Richtung der Y-Achse, und um f in der Richtung der Z-Achse. Aus der Transformationsmatrix T&sub6;s, erhalten durch Gleichung (1), und den Gliedparametern des Folgearms 102 werden gewünschte Werte der individuellen Achsen des Folgearms mit Hilfe der inversen Koordinatentransformationsoperation erhalten. Hierauf werden die individuellen Achsen des Folgearms selber kontrolliert unter Verwendung der gewünschten Werte der individuellen Achsen, die so erhalten wurden, um den Anfangspunkt von Hauptarm und Folgearm zu verschieben.
Nun wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die auf der Basis des oben erwähnten Prinzips arbeitet, mit Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 enthält ein Manipulatorsystem einen Hauptarm 101 und einen Folgearm 102 mit verschiedenem Aufbau, und eine zentrale Verarbeitungse inheit 105 zur Durchführung der Koordinatentransformationsoperationen und für die Steuerung der beiden Arme.
Eine Koordinatentransformationszusatzeinheit 118, die die vorliegende Erfindung enthält, erzeugt K, wie in Gleichung 2 ausgedrückt, auf der Basis der Instruktionseingabe von einer Tastatur und gibt eine Instruktion zur Ergänzung der Koordinatentransformation, die durch Gleichung 1 ausgedrückt ist, an die zentrale Verarbeitungseinheit 105.
Eine Eingabe/Ausgabeeinheit 104 für den Hauptarm 101 hat die Funktion der Eingabe der Winkel der individuellen Gelenke des Rauptarms 101 oder dgl. an die zentrale Verarbeitungseinheit 105 und zur Verstärkung der Signale, die die zentrale Verarbeitungseinheit 105 an den Hauptarm 101 ausgibt, und des Antriebs der Steiler der individuellen Gelenke des Hauptarms 101 entsprechend den Signalen. Eine Eingabe/Ausgabeeinheit 106 für den Folgearm 102 hat die Funktion der Eingabe der Winkel der individuellen Gelenke des Folgearms 102 oder dgl. an die zentrale Verarbeitungseinheit 105 und der Verstärkung der Signale, die die zentrale Verarbeitungseinheit 105 an den Folgearm 102 ausgibt, und des Antriebs des Stehers der individuellen Gelenke des Folgearms 102 entsprechend den Signalen.
Ein Joystick 107 kann den Hauptarm 102 ersetzen und eine Instruktion an den Folgearm 102 geben, sowie ein Animationsbild, das später auf der Basis des Umschaltens in der zentralen Verarbeitungseinheit 105 beschrieben wird. Eine Eingabe/Ausgabeeinheit 108 für den Joystick 107 gibt das Signal, das den Neigungswinkel des Joysticks 107 oder dgl. repräsentiert, an die zentrale Verarbeitungseinheit 105 und verstärkt das Signal, das die zentrale Verarbeitungseinheit 105 an den Joystick 107 zurückliefert und treibt den Steiler des Joysticks 107 in Reaktion auf das Signal.
Eine Bildeingabeinheit 109 überwacht die von dem Folgearm 102 durchgeführte Arbeit aus den verschiedenen Richtungen. Eine Bildverarbeitungseinheit 110 verarbeitet die Bildeingabe von der Bildeingabeeinheit 109, d.h., führt eine schnelle Fourier-Transformation oder dgl. an der Bildeingabe durch die Bildeingabeeinheit 109 durch, um Musteridentifikation oder dgl. durchzuführen.
Ein Animationssimulator 111 ist ein Computer für eine Animation, die in der Lage ist, eine Reihe von Bildern des Folgearms zu zeigen, die durch Computergraphics auf einer Echtzeitbasis erzeugt werden. Eine graphische Darstellung 112 zeigt die Animationsbilder, die durch den Animationssimulator 111 erzeugt werden, die durch die Bildeingabeeinheit 109 eingegebenen reellen Bilder mit den darauf überlagerten Animationsbildern, und Menus, einschließlich des Menus des Umschaltens des Betriebsmodus. Die graphische Darstellung 112 dient auch dazu, Dialoge auszugeben, die mit einem Computer in der Mensch-Maschine-Schnittstelle zwischen der zentralen Verarbeitungseinheit 105 und dem Animationssimulator 111 geführt werden. Ein TV- Monitor 113 zeigt die Bilder, die von der Bildeingabeeinheit 109 erhalten werden. Eine Tastatur 117 wird verwendet, um die Maßstabskonversionskonstante einzugeben und die Anweisung für die Verschiebung des Anfangspunktes. Die Tastatur 117 wird auch verwendet, um Dialoge einzugeben, die mit einem Computer in der Mensch-Maschine-Schnittstelle zwischen der zentralen Verarbeitungseinheit 105 und dem Animationssimulator 111 geführt werden.
Ein Werkstück 202 ist innerhalb einer Vakuumkammer 201 angeordnet. Der Folgearm 102 hat manuelle Operationen an dem Werkstück 201 über den Gesamtbereich in der Vakuumkammer 201 durchzuführen. Der Hauptarm 101 ist auf einer Basis 203 angeordnet.
Als nächstes wird der Hauptsignalfluß dieses Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. In wirklichen Greifmanipulatorsystemen haben der Hauptarm, der Folgearm und der Joystick alle sechs Freiheitsgrade. Jedoch haben sie in der folgenden Beschreibung zur Vereinfachung der Beschreibung drei Freiheitsgrade.
Die individuellen Gelenke des Hauptarms 101 haben ihre eigenen Positions- Detektionssensoren 114A bis 114C. Die Signale von diesen Positions-Detektionssensoren 114A bis 114C werden durch die Hauptarm-Eingabelausgabeeinheit 104 verarbeitet, und die resultierenden Signale werden der zentralen Verarbeitungseinheit 105 zugeführt. Die individuellen Gelenke des Folgearms 102 haben jeweils Positions-Detektionssensoren 115A bis 115C. Die Signale dieser Positions-Detektionssensoren 115A bis 115C werden durch die Folgearm-Eingabelausgabeeinheit 106 verarbeitet, und die resultierenden Signale werden der zentralen Verarbeitungseinheit 105 zugeführt. Die zentrale Verarbeitungseinheit 105 bestimmt die an den Folgearm 102 zu gebenden Signale, indem sie die Koordinatentransformationsoperation an den so erhaltenen Signalen durchführt, und dann durch Durchführung der sekundären Koordinatentransformationsoperation an den resultierenden Signalen auf der Basis der Anweisung aus der Koordinatentransformationszusatzeinheit 118. Diese Signale werden den Steilem 116A bis 116C zugeführt, die an den individuellen Gelenken des Folgearms 102 vorgesehen sind, und zwar zum Zweck des Antriebs durch die Folgearm-Eingabe/Ausgabeeinheit 106. Zugleich damit sendet die zentrale Verarbeitungseinheit 105 auch Signale an den Animationssimulator 111, um die Animationsbilder des Folgearms auf der graphischen Darstellung 112 zu zeigen.
Der Joystick 107 hat Positions-Detektionssensoren 117A bis 117C zum Detektieren der Winkel des Joysticks 107. Die von diesen Sensoren detektierten Signale werden durch die Joystick-Eingabelausgabeeinheit 108 verarbeitet, und die resultierenden Signale werden der zentralen Verarbeitungseinheit 105 eingegeben. Die zentrale Verarbeitungseinheit 105 bestimmt, ob sie sich auf das vom Hauptarm oder das vom Joystick gesendete Signal bezieht, auf der Basis eines externen Umschaltsignals, wenn sie die Anweisungen bestimmt, die dem Folgearm zu geben sind.
Die Bildverarbeitungseinheit 110 führt schnelle Fourier-Transformation oder Musteridentifikation auf dem von der Bildeingabeeinheit 109 eingegebenen Bild durch und zeigt das resultierende reelle Bild auf dem TV-Monitor 113. Zur selben Zeit sendet die Bildverarbeitungseinheit 110 das reelle Bild, wenn nötig, an den Animationssimulator 111, um es zusammen mit dem Animationsbild auf der graphischen Darstellung 112 zu zeigen.
Nunmehr wird ein Beispiel des Verfahrens, mit dem die Hauptarm-Eingabel- Ausgabeeinheit 104 Signale von den Positions-Detektionssensoren 114A bis 114C verarbeitet, unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Dasselbe Verfahren wird bei dem Joystick und dem Folgearm angewandt. In Fig. 3 sind die Positions-Detektionssensoren 114A bis 114C rotierende Impulsgeneratoren, die ein Paar einer Impulssequenz erzeugen, die um 90º phasenverschoben sind, z.B. Phase A und Phase B, in Übereinstimmung mit dem Drehwinkel. Die von jedem der rotierenden Impulsgeneratoren erzeugten Impulse werden der Richtungsunterscheidungsschaltung 301 der Hauptarm Eingabe/Ausgabeeinheit 104 zugeführt, die die Richtung unterscheidet, in der das entsprechende Gelenk rotiert wird und ein Richtungssignal 303 ausgibt. Entweder die Phase A oder die Phase B des Impulses wird einem Zähler 302 für das Zählen der Anzahl der Impulse eingegeben. Das Richtungssignal 303, das aus der Richtungsunterscheidungsschaltung 301 ausgegeben wird, wird auch dem Zähler 302 eingegeben, wo es dazu verwendet wird, die Zahl der Impulse zu vergrößern oder zu verkleinern. Demzufolge steigt oder sinkt der von dem Zähler 301 ausgegebene Wert in Übereinstimmung mit Zunahme oder Abnahme des Rotationswinkels. Der Rotationswinkel kann detektiert werden durch Lesen eines Ausgabesignais 304 des Zählers 302 mittels einer äußeren Schaltung.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel des Aufbaus der zentralen Verarbeitungseinheit 105. In diesem Beispiel ist die zentrale Verarbeitungseinheit 105 aufgebaut aus einem Prozessor 401 zum Steuern von Eingabe und Ausgabe von Daten und Durchführung verschiedener Operationen, einem Speicher 402 zum Speichern von Daten, die eine Liste von trigonometrischen Funktionen, Gliedparametern des Manipulators usw. repräsentieren, einem Multiplizierer 403, einem Dividierer 404, einer Sammelschiene 405 zum Verbinden dieser Komponenten miteinander, und Serien- oder Parallelschnittstellen 406A bis 406E, die mit der Sammelschiene verbunden sind. Die Schnittstellen 406A bis 406E sind auch verbunden mit den individuellen Eingabe/Ausgabeeinheiten, dem Animationssimulator und der Koordinatentransformationszusatzeinheit. Der Prozessor 401 ist über die Schiene 405 von allen Komponenten, die mit dem Bus 405 verbunden sind, zum Zweck der Datenverarbeitung zugänglich.
Als nächstes wird die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung beschrieben, das in der oben beschriebenen Art angeordnet ist.
Wenn der Hauptarm 101 betätigt wird, werden die Rotationswinkel der individuellen Gelenke des Hauptarms 101 durch die Positions-Detektionssensoren 114A bis 114C detektiert. Die Detektionssignale werden der zentralen Verarbeitungseinheit 105 über die Hauptarm-Eingabe/Ausgabeeinheit 104 eingegeben. Die zentrale Verarbeitungseinheit 105 führt die verallgemeinerte Koordinatentransformationsoperation mit den Detektionssignalen durch, um die Koordinatentransformationsmatrix T&sub6;m zu erhalten, die die Orientierung des Koordinatensystems MC des vorderen Endes des Hauptarms 101 zu dem Standardkoordinatensystem M des Hauptarms repräsentiert. Die Koordinatenzusatzeinheit 118 gibt eine Anweisung zum Ergänzen der Koordinatentransformation an die zentrale Verarbeitungseinheit 105 auf der Basis der Anweisung aus, die von der Tastatur 117 eingegeben wird, unter Verwendung der Matrix K, die in der Koordinatenzusatzeinrichtung 118 gespeichert ist. Die Matrix K stellt das Verhältnis der Bewegung des vorderen Endes des Folgearms 102 gegenüber der Bewegung des vorderen Endes des Hauptarms 101 dar, d.h. die Maßstabskonversionskonstante sowie die Verschiebung des Anfangspunktes des vorderen Endes des Hauptarms 101 und des Anfangspunktes des vorderen Endes des Folgearms 102. Nach Erhalt der Anweisung von der Koordinatenzusatzeinheit 118 führt die zentrale Verarbeitungseinheit 105 eine Operation durch, bei der die Hauptarm-Koordinatentransformationsmatrix T&sub6;m mit K multipliziert wird, um die Folgearm- Koordinatentransformationsmatrix T&sub6;s zu erhalten. Dann werden die gewünschten Werte der individuellen Gelenke des Folgearms 102 durch die inverse Koord inatentransformationsoperation erhalten, wenn die Stellung des Koordinatensystems SC des vorderen Endes des Folgearms 102 relativ zu dem Standardkoordinatensystem 5 des Folgearms identisch mit der Folgearm- Koordinatentransformationsmatrix T&sub6;s ist. Die resultierenden gewünschten Werte werden an die Folgearm-Eingabe/Ausgabeeinheit 106 ausgegeben, die Steher 116A bis 116C betätigt. Somit kann die Bewegung des vorderen Endes des Hauptarms 101 automatisch von dem vorderen Ende des Folgearms dupliziert werden, mit einer Änderung im Maßstab und/oder einer Verschiebung der Anfangspunkte. Als Ergebnis kann die Bewegung des Hauptarms 101 von dem Folgearm 102 in einem vergrößerten oder verkleinerten gewünschten Maßstab reproduziert werden, ohne Rücksicht auf den Aufbau der Arme, was einer Bedienungsperson, die den Hauptarm 101 betätigt, erlaubt, den Folgearm 102 in kleinen oder großen Bewegungen im Operationsbereich des Arms zu bewegen.
Außerdem kann der Anfangspunkt der Betätigung von Hauptarm und Folgearm 101 und 102 in der unten beschriebenen Art frei nachgestellt werden: Zuerst trennt die zentrale Verarbeitungseinheit 105 zeitweise den Folgearm 102 vom Hauptarm 101 durch die Anweisung der Koordinatentransformationszusatzeinheit 118, die auf der Anweisung basiert, die von der Tastatur 117 eingegeben wird. Während der Folgearm 102 in Ruhe ist, bewegt die Bedienungsperson nur den Hauptarm 101 in eine gewünschte Stellung. Hierauf aktualisiert die Koordinatentransformationszusatzeinheit 118 die Werte d, e und f in Gleichung 2 durch diese Verschiebung zwischen dem Hauptarm 101 und dem Folgearm 102. Hierauf wird der Hauptarm 101 mit dem Folgearm 102 durch die von der Tastatur 117 eingegebene Anweisung wieder verbunden. Dies gestattet der Bedienungsperson, immer den Hauptarm 101 in eine Stellung zu bewegen, die für die Bedienungsperson bequem ist.
Als nächstes wird der Aufbau des Hauptarms 101 und des Folgearms 102 gemäß Fig. 2 im Detail beschrieben.
Da die Struktur des Hauptarms und diejenige des Arms oder Handgelenks einer Person in enger Beziehung zueinander stehen, wird erst die Orientierung des Hauptarms 101 zu der Person beschrieben.
Um die Erläuterung zu vereinfachen, ist in der folgenden Beschreibung angenommen, daß der Hauptarm von einer rechten Hand betätigt wird.
Fig. 6 ist die Ansicht einer Person, wie man sie von oben sieht. Das Blickfeld der Person darf nicht blockiert werden, wenn der Hauptarm hinter der rechten Hand, gesehen von den Augen her, positioniert ist. Das heißt, die Stellung des Hauptarms in der Position 603 ist vorzuziehen.
Die Person kann leicht die Hand durch Bewegung des Unterarms bewegen. Es ist daher vorzuziehen, daß eine Zentralachse 606 einer X-Achseneinheit 605, die der Bewegung des Hauptarms in Richtung der X-Achse zugeordnet ist, vor der rechten Hand angeordnet ist und auf einer Verlängerung des Zentrums des rechten Arms 601 und des Zentrums des Handgelenks 607.
Es ist leichter, das Handgelenk 607 gegen eine Mittellinie 608 des Körpers zu bewegen, als in der Gegenrichtung, wie in Fig. 6 gezeigt. Dies mag zulassen, daß die Mittelachse 606 gegen die Mittellinie 608 um ungefähr 50 mm verschoben wird. Außerdem ist es vorzuziehen, daß eine Mittelachse 610 einer Y-Achseneinheit 609, die der Bewegung des Hauptarms in der Richtung der Y-Achse zugeordnet ist, in der Nähe des Zentrums des Handgelenks 607 der Person angeordnet ist, die ihren rechten Arm 601 bequem ausstrecken kann.
Genauer, der Kauptarm 106 wird an einer Stellung 603 angeordnet, in der die Mittelachse 606 der X-Achseneinheit 605 im wesentlichen mit dem Zentrum des rechten Arms 601 und die Mittelachse 610 der Y-Achseneinheit 609 mit dem Zentrum des Handgelenks 607 der Person ausgerichtet ist, die ihren rechten Arm 601 bequem ausstreckt. Das bedeutet, daß der Hauptarm 101 so konstruiert ist, daß er den rechten Arm umgibt und an einer Stellung installiert ist, die den rechten Arm 601 umgibt.
Fig. 7 zeigt die Anordnung nach Fig. 6 in Seitenansicht.
In der in Fig. 7 gezeigten Anordnung ist die X-Achseneinheit 605, die der Bewegung des in der Position 603 in Richtung der X-Achse installierten Hauptarms (in Richtung senkrecht auf die Oberfläche des Papiers in Fig. 7) zugeordnet ist, höher vorgesehen als der rechte Arm 601. Wenn die X- Achseneinheit 605 in Form einer Drehvorrichtung konstruiert wird, die um die Mittelachse 606 rotiert, kann sie nur durch Bewegung des Handgelenks 607 in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Papiers (in Richtung der X- Achse) ohne Bewegung des Ellbogens 604 bewegt werden. Wenn die X- Achseneinheit 605 eine Verschiebeeinheit ist, muß der Ellbogen 604 bewegt werden, was verursacht, daß die Bedienungsperson ermüdet, wenn sie ihren Ellbogen 604 über eine Distanz größer als 100 mm bewegen muß. Die Bedienungsperson kann in der Lage sein, die Verschiebeeinheit sehr leicht zu betätigen, wenn der Spalt zwischen Körper und Ellbogen ungefähr 50 mm ist. Die Bedienungsperson muß ihren Körper neigen, wenn der Spalt 100 mm überschreitet.
In ähnlicher Weise ist die Y-Achseneinheit 609, die der Bewegung des Hauptarms in der Richtung der Y-Achse zugeordnet ist, höher angeordnet als der rechte Arm 601. Wenn die Y-Achseneinheit 609 aus einer Dreheinheit besteht, die um die Mittelachse 610 rotiert, kann die Bedienungsperson in der Lage sein, das Handgelenk 607 in Richtung der Y-Achse zu bewegen, indem sie ihren Ellbogen 604 über eine kleine Distanz bewegt. Wenn die Y-Achseneinheit 609 eine Verschiebeeinheit ist, ist die obere Grenze des Abstands der Bewegung ungefähr 120 mm.
Obwohl die X-Achseneinheit 605 und die Y-Achseneinheit 609 höher angeordnet sind als der rechte Arm 601 gemäß der Anordnung nach Fig. 7, können sie auch niedriger als der rechte Arm vorgesehen sein. In diesem Fall werden die X- und Y-Achseneinheiten 605 und 609 in ähnlicher Weise durch Bewegung des Handgelenks 607 in der Gegenrichtung betätigt.
Die X-Achseneinheit 605 kann durch eine Schwenkeinheit 701 gemäß Fig. 7 ersetzt werden. In diesem Fall ist die Schwenkeinheit 701 um eine Achse 702 drehbar.
Der durch die Punkt-Punkt-Strich-Linie in Fig. 7 angezeigte Hebel ist ein virtueller Hebel, der verwendet wird, um ein Drehmoment aufzubringen. In einer wirklichen Hauptarmstruktur sind jedoch sechs Gelenke in Aufeinanderfolge zwischen der Basis 203 und dem vorderen Ende montiert, wie in Fig. 2 gezeigt.
Beispiele des Hauptarms, die auf den Untersuchungen gemäß den Fig. 6 und 7 basieren, werden unter Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 11 beschrieben.
Fig. 8 zeigt den Hauptarm 101 gemäß Fig. 2 im Detail. Der Hauptarm 101 hat eine Basis 203. Eine erste Achse 801 des Hauptarms 101 ist um eine Mittelachse 902 hiervon drehbar. Die Rotation der ersten Achse 901 verursacht, daß der Hauptarm 101 im übrigen um die Mittelachse 802 rotiert. Eine zweite Achse 803 ist um eine Mittelachse 804 hiervon drehbar. Die Rotation der zweiten Achse 803 verursacht, daß der Hauptarm 101 in seiner Gesamtheit um die Mittelachse 804 rotiert. Ein Arm 805 wird durch ein Verbindungsglied 806 und einen Stab 807 getragen, und ist um eine Drehachse 808 drehbar. Die Rotation des Arms 805 verursacht, daß der vordere Endabschnitt um die Drehachse 808 rotiert. Eine Nickachse 809 ist um eine Mittelachse 810 hiervon drehbar. Eine Gierachse 811 ist um eine Mittelachse 812 hiervon drehbar. Die Rotation einer Rollachse 813 verursacht, daß ein Greifer 815 um eine Mittelachse 814 der Rollachse 813 rotiert.
Wenn die Bedienungsperson den Hauptarm 101 betätigt, orientiert sie sich an dem Hauptarm in der in Fig. 6 gezeigten Weise und ergreift den Greifer 815 mit ihrer rechten Hand.
Die X-Achseneinheit 605 gemäß Fig. 6 ist durch die zweite Achse 803 nach Fig. 8 veranschaulicht, während die Mittelachse 606 der Mittelachse 804 in is Fig. 8 entspricht.
Die Y-Achseneinheit zur Bewegung des Hauptarms in Richtung der Y-Achse ist beispielsweise durch den Arm 805 gemäß Fig. 8 veranschaulicht, und die Mittelachse 610 entspricht der Mittelachse 808.
Die Bewegung in Richtung der Z-Achse wird durch Rotation der ersten Achse 801 um die Mittelachse 802 erzielt. Wenn eine Verschiebeeinheit verwendet wird, um den Hauptarm in Richtung der Z-Achse zu bewegen, kann die Betätigung durch den rechten Arm 601 der Bedienungsperson für diese sehr unbequem sein. Sie muß möglicherweise den Körper bewegen, selbst wenn der Abstand der Bewegung ungefähr 50 mm ist. Es ist daher vorzuziehen, eine Dreheinheit zu verwenden.
Die gesamte in Fig. 8 gezeigte Struktur ist außerhalb des Gebiets 603 und des Sichtfeldes nach Fig. 6 angeordnet.
Eine Handgelenkbaugruppe, die aus der Nickachse 809, der Gierachse 811 und der Rollachse 813 besteht, ist unter Beachtung der Struktur eines menschlichen Handgelenks konstruiert. Da die Person ihr Handgelenk um den Unterarm verdreht, wenn sie ihren Ellbogen fixiert, ist die Mittelachse 814 der Rollachse 813 mit der Mitte des Greifers 815 und des Ellbogens 604 ausgerichtet.
Die Person schwingt ihr Handgelenk auf ihr Herz zu oder davon weg (wobei der Daumen über den anderen Fingern angeordnet ist), während sie ihren Arm fixiert. Demzufolge schneidet die Mittelachse 812 der Nickachse 811 die Mittelachse 813 an einer Stelle näher der Person als der Greifer 815, so daß die Schnittstelle als das Gelenk des Handgelenks der Bedienungsperson wirken kann.
is Es ist schwierig für die Person, ihr Handgelenk in vertikaler Richtung schwingend zu halten in einem Zustand, bei dem der Daumen über den Fingern angeordnet ist. Wenn sie ihr Handgelenk von der oben beschriebenen Stellung verdreht und ihre Hand mit dem Daumen an der Innenseite ausstreckt, kann sie ihr Handgelenk leicht vertikal biegen. Jedoch besteht dieser Schwung des Handgelenks nicht fort.
Allgemein ist, wenn das Handgelenk in die vertikale Richtung gebogen ist, auch der Ellbogen gebogen. Als Folge davon liegt die Mittelachse 810 der Nickachse 809 in einer Stellung höher als die der Mittelachse 814, um ungefähr 100 mm. Auf diese Weise kann sich die Nickachse dem Handgelenk der Person anpassen.
Fig. 9 zeigt ein anderes Beispiel des Hauptarms 101.
Eine Schwenkachse 902 ist um eine Mittelachse 903 hiervon drehbar. Die Rotation der Schwenkachse 902 verursacht, daß der gesamte Hauptarm um die Achse 903 rotiert. Ein erster Arm 904 ist um ein vorderes Ende der Schwenkachse 905 drehbar. Die Rotation des ersten Arms 904 verursacht, daß der gesamte Hauptarm um das vordere Ende 905 der Schwenkachse 902 rotiert. Ein zweiter Arm 906 ist drehbar um das vordere Ende des ersten Arms 904. Eine Nickachse 907 ist in der Lage, die gesamte Handgelenkbaugruppe in vertikaler Richtung zu biegen. Eine Gierachse 908 wird von dem Ausgabeabschnitt der Nickachse 907 getragen. Die Gierachse 908 ist in der Lage, den vorderen Endabschnitt der Handgelenkbaugruppe nach rechts und links zu schwenken. Eine Rollachse 909 ist in der Lage, den Greifer 910 zu drehen.
Wenn die Bedienungsperson den in Fig. 9 gezeigten Hauptarm betätigt, orientiert sie sich an dem Hauptarm in der in Fig. 6 gezeigten Weise und ergreift den Greifer 910, wie im Fall der Betätigung des Hauptarms 101 nach Fig. 8.
Die Schwenkachse 102 und die Mittelachse 903 in Fig. 9 entsprechen der X-Achseneinheit 605 nach Fig. 6, während der zweite Arm 906 der Y- Achseneinheit 609 entspricht.
Die gesamte Struktur des Hauptarms gemäß Fig. 8 ist außerhalb des Gebiets 603 und des Sichtfelds nach Fig. 6 angeordnet.
Die Handgelenkbaugruppe, die aus der Nickachse 907, der Gierachse 908 und der Rollachse 909 besteht, ist unter Beachtung der Struktur eines menschlichen Kandgelenks konstruiert. Sie hat jedoch die gleiche Struktur wie die Handgelenkbaugruppe nach Fig. 8, daher wird die Beschreibung weggelassen.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Beispiel des Hauptarms.
Dieser Hauptarm umfaßt einen drehbaren Tisch 1001, eine Schwenkachse 1002 zum Verdrehen des gesamten Hauptarms um eine vertikale Achse, einen ersten Arm 1003, der in einer senkrechten Ebene verdrehbar ist, einen zweiten Arm 1004, der in einer senkrechten Ebene drehbar ist, eine Nickachse 1005, eine Gierachse 1006, eine Rollachse 1007 und einen Greifer 1008. Die Funktionen dieser Teile und Gelenke sind die gleichen wie die des Hauptarms gemäß den Fig. 8 und 9, so daß die Beschreibung wegge lassen wird.
Fig. 11 zeigt ein anderes Beispiel des Hauptarms.
Der Rauptarm umfaßt einen drehbaren Tisch 1101, eine Schwenkachse 1102 zum Verdrehen des gesamten Hauptarms um eine senkrechte Achse, einen ersten Arm 1103, der in einer senkrechten Ebene verdrehbar ist, einen zweiten Arm 1104, der in einer senkrechten Ebene drehbar ist, eine Nickachse 1105, eine Gierachse 1106, eine Rollachse 1107 und einen Greifer 1108. Die Funktionen dieser Teile und Gelenke sind die gleichen wie die des Rauptarms gemäß den Fig. 8 und 9, so daß die Beschreibung weggelassen wird.
Wenn der Hauptarm gemäß den Fig. 10 oder 11 betätigt wird, orientiert sich die Bedienungsperson an dem Hauptarm 101 in der in Fig. 6 gezeigten Weise und ergreift den Greifer 1008 oder 1108, wie im Fall des Hauptarms 101 gemäß Fig. 8.
Die Schwenkachsen 1002 und 1102 in den Hauptarmen gemäß den Fig. 10 und 11 entsprechen der Schwenkeinheit 701 nach Fig. 7 und haben die gleiche Funktion wie die der X-Achseneinheit 605 nach Fig. 6.
Die zweiten Arme 1004 und 1104 entsprechen der Y-Achseneinheit 609 gemäß Fig. 6.
Die gesamten Hauptarme gemäß den Fig. 10 und 11 sind außerhalb des Gebiets und des Sichtfeldes angeordnet, das in den Fig. 6 oder 7 gezeigt ist.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist das grundsätzliche Konzept der Hauptarmstrukturen gemäß den Fig. 6 und 7 in allen Beispielen gemäß den Fig. 8 - 11 das gleiche, obwohl die Strukturen sich unterscheiden können.
Es muß jedoch festgehalten werden, daß im Fall des Hauptarms gemaß Fig. 9 ein spezieller Operationszustand (ein singulärer Punkt) existieren kann, wo die Mittelachse der Schwenkachse 902 und die der Rollachse 909 zusammenfallen.
In diesem Zustand kann die Bedienungsperson nicht in der Lage sein, die Bewegung der Schwenkachse 902 und der Rollachse 909 voneinander zu trennen. Diese Unbequemlichkeit kann vermieden werden durch Beschränken der Bewegung des Hauptarms derart, daß die Mittelachse der Schwenkachse 902 nicht mit der der Rollachse 909 zusammenfällt.
Nunmehr wird die Struktur des Folgearms beschrieben. Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 5 festgestellt, wird der Folgearm 102 unter Verwendung der erwünschten Werte der individuellen Achsen gesteuert, die auf der Basis der Betätigung des Hauptarms 101 berechnet werden. Da die Operation der gewünschten Werte und die Steuerung des Folgearms durch die zentrale Verarbeitungseinheit 105 bewirkt werden, kann das Problem, das den singulären Punkt in der Hauptarmstruktur gemäß Fig. 9 betrifft, durch Steuern des Folgearms 102 in solcher Weise gelöst werden, daß dieser nicht den singulären Punkt erreicht, oder durch Aufstellen eines Algorithmus, bei dem der Kauptarm den singulären Punkt nicht überstreicht.
Wenn die Struktur des Folgearms in Betracht gezogen wird, soll der Operationswinkel der verschiedenen Achsen hiervon groß gemacht werden, um es dem Folgearm zu ermöglichen, so weit wie möglich in der Vakuumkammer 201 gemäß Fig. 2 auszureichen.
Der Folgearm sollte auch so konstruiert sein, daß er leicht gefaltet werden kann, da er innerhalb der Vakuumkammer 201 zu installieren ist.
Fig. 12a zeigt ein Beispiel des Folgearms.
Dieser Folgearm umfaßt eine Tragbasis 1201, eine Schwenkachse 1202, die mit der Basis 1201 um die Rotationsachse verdrehbar ist, einen ersten Arm 1203, der um den vorderen Endabschnitt der Schwenkachse 1202 verdrehbar ist, einen zweiten Arm 1204, der um einen vorderen Endabschnitt 1205 des ersten Arms 1203 verdrehbar ist, und eine Handgelenkbaugruppe 1206, bestehend aus einer Nickachse 1208, einer Gierachse 1209, einer Rollachse 1210, wobei die Nickachse 1208, die Gierachse 1209 und die Rollachse 1210 auf einem vorderen Endabschnitt 1207 des zweiten Arms 1204 in dieser Reihenfolge montiert sind, und eine Hand 1211, die auf dem vorderen Endabschnitt der Rollachse 1210 montiert ist.
Sowohl der vordere Endabschnitt 1205 des ersten Arms 1203 als auch der vordere Endabschnitt 1207 des zweiten Arms 1204 sind außerhalb der Mittellinie des ersten Arms 1203 und der des zweiten Arms 1204 angeordnet, um so das Zusammenfalten des Folgearms in der in Fig. 12b gezeigten Weise zu erleichtern.
Der Folgearm 102 ist so konstruiert, daß die auf dem vorderen Ende hiervon montierte Hand sich von der Tragbasis 1201 entfernen kann und einen großen Bereich erreichen kann, während der Hauptarm 101 so bemessen ist, daß eine große Anzahl von Freiheitsgraden innerhalb eines begrenzten Gebietes konzentriert werden können, indem man die Rollachse 813 und den Greifer, der auf dem vorderen Ende des Hauptarms 101 montiert ist, näher der Basis 203 anordnet, wie in Fig. 8 gezeigt.
Der Folgearm 102 kann auch so konstruiert sein, daß die Mittellinie des ersten Arms und die des zweiten Arms parallel sind, wie in Fig. 13 gezeigt, um die Faltmöglichkeit hiervon zu verbessern.
Zum Zwecke des Konzentrierens der Freiheitsgrade des Hauptarms 101 auf einen beschränkten Bereich schneidet in dem Hauptarm 101, der in Fig. 8 gezeigt ist, die Mittelachse der Gierachse 811 die Mittelachse der Rollachse 813, und der Greifer 815 ist in der Nähe des Schnittpunkts angeordnet. Die Mittelachse der Nickachse 809 ist auf den Greifer 815 gerichtet. Mit anderen Worten sind die Nickachse 809, die Gierachse 811 und die Rollachse 813, die die Handgelenkbaugruppe darstellen, so angeordnet, daß sie den Greifer 815 umgeben. Außerdem kann der Arm 805, obwohl die gesamte zweite Achse 803 rotiert wird, wenn die Bewegung der ersten Achse 801 auf sie übertragen wird, nicht ausgerichtet werden und braucht auch nicht mit dem Arm 803 ausgerichtet zu sein, anders als bei den ersten und zweiten Armen 1203 und 1204 des Folgearms nach Fig. 12. Die Arme 803 und 805 sind senkrecht aufeinander angeordnet, so daß ihnen verschiedene Bewegungen zugeordnet werden können, d.h., die Arme haben eine kompakte Struktur und sind nahe dem Handgelenk der Person angeordnet, während eine Vergrößerung des Operationsbereichs bei der Bemessung des Folgearms betont wird.
Die Hauptarmstruktur gemäß den Fig. 9, 10 und 11 hat die gleichen Charakteristika wie die des Hauptarms nach Fig. 8.
Zurückkehrend zum Folgearm, kann die Handgelenkbaugruppe so klein wie möglich gemacht werden, um ein leichtes Arbeiten an einem Objekt zu ermöglichen, wie im Fall industrieller Robots, während die Handgelenkbaugruppe des Hauptarms in gewissem Ausmaß groß gemacht werden kann, um das Ergreifen des Greifers durch die Bedienungsperson zu ermöglichen und zu erlauben, daß die Nickachse, die Gierachse und die Rollachse um den Greifer herum angeordnet sind.
Die Handgelenkbaugruppe des Folgearms kann klein gemacht werden, indem man die Rollachse auf die Seite der Handgelenkbaugruppe näher dem Arm anordnet, der eine im wesentlichen axiale symmetrische Struktur hat, wie im Falle des Handgelenks einer Person. Tatsächlich sind Rollachse und Arm miteinander in vielen industriellen Robots gekoppelt.
Die Bedienungsperson kann in der Lage sein, den Greifmanipulator durch die Steuerung der 6 Freiheitsgrade getrennt voneinander leichter zu bedienen als durch Steuerung aller auf einmal. Im Falle des Folgearms, bei dem die Rollachse im vorderen Ende davon angeordnet ist, kann die Rollachse unabhängig betätigt werden, ohne die anderen Achsen zu stören, nachdem das vordere Ende des Folgearms positioniert ist, und die Gierachse und die Nickachse rotiert worden sind. Im Fall der Anordnung der Gierachse und der Nickachse im vorderen Ende des Folgearms können jedoch die Operation der Rollachse und der Gierachse und der Nickachse nicht voneinander getrennt werden, da die Operation der Rollachse die Stellung des vorderen Endes des Folgearms ändert.
Daraus folgt, daß die Rollachse des Folgearms am vorderen Ende hiervon angeordnet werden sollte, auch wenn sie zu einer Vergrößerung der Dimension der Kandgelenkbaugruppe beitragen kann.
Ein Folgearm der Hängetype, der von der Decke oder der Wand einer Vakuumkammer herunterhängt, wie in Fig. 2 gezeigt, gestattet es, die geringe Bodenfläche einer Vakuumkammer effektiv zu nutzen.
Der Folgearm hat eine Tragefläche, die viel kleiner ist als die des Hauptarms oder eines industriellen Robots, um damit die Installation und den Transport davon zu erleichtern.
Andererseits brauchen industrielle Robots, die auf dem Fußboden installiert sind, oder der Hauptarm nach Fig. 10 eine große Fußbodenfläche für die Installation und haben eine schwere Tragbasis. Für bequeme Bedienung ist der erste Arm in der Höhe der Hüfte der Person montiert.
Wie oben festgestellt, sollte selbst im Falle eines Manipulatorsystems, das den Hauptarm und den Folgearm mit verschiedenen Ausbildungsformen verwendet, die zu ihren eigenen Aufgaben passen, die optimale Konstruktion aus dem Gesichtspunkt des gesamten Greifmanipulatorsystem betrachtet werden. Um die Ausbildung der beiden Arme zu kombinieren, um ein Steuersystem zu bilden, ist es nicht ausreichend, die optimale Ausbildung zu erzielen.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung verständlich, hat gemaß der vorliegenden Erfindung der Hauptarm eine Struktur, die es der Person erlaubt, den Folgearm effektiv zu bedienen, d.h., die es der Person ermöglicht, den Arm leicht und im wesentlichen mit der Bewegung ihres Handgelenks zu bedienen, ohne in übertriebener Weise ihren Arm zu schwingen. Außerdem ist der Folgearm in der Lage, ein am weitesten von der Tragbasis angeordnetes Objekt zu erreichen durch effektive Nutzung seiner Längsabmessung. Der Folgearm kann in Längsrichtung gefaltet werden, wenn er von einem Platz zum anderen getragen wird.
Da der Hauptarm einen Aufbau hat, der der Betätigung durch die Person angepaßt ist, und der Nebenarm einen Aufbau hat, der von dem des Hauptarmes verschieden ist, um die begrenzte Länge des Arms effektiv ausnützen zu können, kann das resultierende Greifmanipulatorsystem in einem weiten Bereich betrieben werden, wobei es ausgezeichnete Betriebsfähigkeit zeigt.
Um zu erreichen, daß der Hauptarm einen Aufbau hat, der der Betätigung durch die Person angepaßt ist, muß die Struktur des Körpers der Person und die Sicherstellung des Sichtfelds der Person in Betracht gezogen werden, während die jeweiligen Gelenke des Hauptarms in der Nähe der Person angeordnet sein sollten, um zu ermöglichen, daß der Hauptarm mit einem geringen Kraftaufwand betätigt wird.
Kurz gesagt sind in dem Greifmanipulatorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung der Aufbau und die Steuerung aus dem Gesichtspunkt des Gesamtsystems konstruiert, um seine Betriebsfahigkeit zu verbessern sowie die Installation und den Transport zu erleichtern.

Claims

1. Greifmanipulatorsystem mit einem Rauptarm (101) mit sechs oder mehr Bewegungsachsen, und einem gelenkigen Folgearm (102) mit sechs oder mehr Bewegungsachsen;

wobei der Hauptarm (101) einen Armkörper (801-808) und eine Handgelenk-Baugruppe (809-813) aufweist, die mit dem Armkörper verbunden ist;

wobei die Handgelenkbaugruppe (809-813) einen Greifer (815) enthält, angeordnet in einem Raum ausreichender Größe für die Betätigung des Greifers in X, Y, Z-Richtungen durch eine Bedienungsperson mit ihrer angelegten Hand;

und wobei die Handgelenkbaugruppe (809-813) außerdem eine Nickachse (809) und eine Rollachse (813) aufweist, die beide außerhalb dieses Raums angeordnet sind;

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Handgelenkbaugruppe (809-813) außerdem eine Gierachse (811) enthält, wobei die Nickachse (809) die Gierachse (811) und die Rollachse (813) alle den Greifer umgeben und ihre Abtriebsachsen vorwärts von dem Greifer (815) gerichtet sind;

b) der Armkörper (801-808) des Hauptarms (801) drei Achsen (802, 804, 808) aufweist, die senkrecht aufeinander stehen, sodaß sie es ermöglichen, die von einer Bedienungsperson verursachten Bewegungen leicht in Bewegungen in drei Richtungen aufzutrennen;

c) der Folgearm (102) eine Handgelenk-Baugruppe (1206) aufweist, die eine Nickachse (1208), eine Gierachse (1209) und eine Rollachse (1210) enthält, alle untergebracht innerhalb eines Raumes mit vorbestimmten Dimensionen in wenigstens zwei der X-, Y- und Z- Richtungen verschieden von denen des Raumes der Handgelenkbaugruppe (809-813) des Hauptarms; und

d) die Nickachse (1208), Gierachse (1209) und die Rollachse (1210) der Handgelenkbaugruppe (1206) des Folgearms Montageabschnitte aufweisen, und die Abtriebsachsen jeweils weg von den Montageabschnitten gerichtet sind.

2. Greifmanipulator nach Anspruch 1, wobei ein Tragabschnitt der Rollachse des Hauptarms von einem Ende des Armkörpers weg angeordnet ist, und wobei die Abtriebsachse der Rollachse des Hauptarms gegen das Ende des Armkörpers gerichtet ist.

3. Greifmanipulatorsystem nach Anspruch 1, wobei ein Tragabschnitt der Gierachse des Hauptarms von einem Ende des Armkörpers weg und senkrecht dazu angeordnet ist, und wobei die Abtriebsachse der Nickachse des Hauptarms gegen das Ende des Armkörpers gerichtet ist.

4. Greifmanipulatorsystem nach Anspruch 1, wobei ein Tragabschnitt der Nickachse des Hauptarms von einem Ende des Armkörpers weg angeordnet ist, und wobei die Abtriebsachse der Nickachse des Hauptarmes gegen das Ende des Armkörpers gerichtet ist.

5. Greifmanipulatorsystem nach Anspruch 1, wobei die Abmessungen zwischen einer Basis (203) des Hauptarms (101) und dem Ende des Armkörpers (801-808) des Hauptarmes (101) entfernt von der Basis (203) so klein sind, daß sie innerhalb des Bewegungsbereiches des Armes einer Bedienungsperson in drei Richtungen sind.