DE69720137T2

DE69720137T2 - Manipulator

Info

Publication number: DE69720137T2
Application number: DE1997620137
Authority: DE
Inventors: Paul Robert Schut
Original assignee: LEENSTRA MACHINE EN STAALBOUW
Current assignee: LEENSTRA MACHINE EN STAALBOUW
Priority date: 1996-11-05
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2017-10-31
Also published as: EP0839614A1; NL1004431C2; DE69720137D1; EP0839614B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Manipulator, welcher ein aktiv Kraft erzeugendes Teil und eine Einrichtung zur Übertragung der erzeugten Kraft auf die Last aufweist.
Innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung wird durch den Ausdruck "Manipulator" eine Vorrichtung gemeint, welche in der Lage ist, eine aufwärts gerichtete Kraft auf eine Last auszuüben, welche Kraft im Wesentlichen gleich, aber entgegengesetzt gerichtet zu der Kraft ist, welche auf die Last durch die Schwerkraft ausgeübt wird, wobei vertikale Bewegungen der Last automatisch nachgefolgt werden, so dass die Last sich praktisch so verhält, als wenn sie gewichtslos wäre. Eine Person, welche die in Rede stehende Last handhaben will, so wie z. B. zum Anheben und Positionieren, kann dann eine gewünschte Verlagerung bewerkstelligen, während nur eine verhältnismäßig geringe Kraft ausgeübt wird.
Zum Anheben und Absenken einer Last sind verschiedene Bauarten von Kranen oder Hebevorrichtungen bekannt, wobei die Last angehoben werden kann, während sie von einem Drahtseil bzw. Kabel herabhängt oder auf einer Plattform ruht oder durch einen Greifer ergriffen ist. Ein Beispiel eines Krans ist ein Hebezeug, ein Beispiel einer Hebevorrichtung ist ein Hubwagen. Im Allgemeinen weist ein Hebezeug ein Hubseil bzw. -kabel auf, welches um eine Trommel gewickelt ist, welche mittels eines Motors gedreht werden kann. Zu dem Motor gehört eine Bedienungstafel, wodurch der Motor so gesteuert werden kann, dass er in drei verschiedenen betrieblichen Zuständen sein kann: stationär bzw. stillstehend, sich in einer Richtung drehend und sich in der anderen Richtung drehend. Zum Anheben der Last muss eine Bedienungsperson die Bedienungstafel bedienen; nach der Speisung des Motors mit Energie in einer bestimmten Richtung wird das Hubseil auf die Trommel aufgewickelt und die Last wird angehoben; wenn die Last eine bestimmte gewünschte Höhe erreicht hat, wird der Motor angehalten.
Somit hat ein Kran tatsächlich nur drei betriebliche Bedingungen: AUF, AB und STATIONÄR bzw. STILLSTEHEND, welche durch entsprechende Speisung des Motors mit Energie mittels der Bedienungstafel gewählt werden. Somit sind die Möglichkeiten eines Krans ziemlich begrenzt, was insbesondere in Situationen augenscheinlich wird, in denen die Last ziemlich genau an einer speziellen Position abgesetzt werden soll, deshalb zur selben Zeit eine horizontale und eine vertikale Verlagerung gewünscht sind. In horizontaler Richtung kann eine aufgehängte Last mit verhältnismäßig kleiner Kraft verlagert werden, aber eine vertikale Verlagerung kann nicht durch Ausübung einer Kraft von Hand auf die Last bewerkstelligt werden: was eine Verlagerung in der vertikalen Richtung nach abwärts anbetrifft, wird die Last durch den Kran gehalten, und in der vertikalen Richtung nach aufwärts würde die Bedienungsperson das volle Gewicht der Last anzuheben haben. Selbst wenn jemand erfolgreich wäre, die Last durch Kraftausübung von Hand anzuheben, würde sich die Last wieder zurück absenken zu jener Höhe, welche durch den Kran bestimmt ist, wenn die Kraftausübung von Hand entfernt werden würde. Somit ist es zur Ausführung einer vertikalen Verlagerung notwendig, dass die Bedienungstafel betätigt wird, was bedeutet, dass die Bedienungsperson immer wenigstens eine Hand auf der Bedienungstafel halten muss. Demzufolge sind in solchen Fällen verschiedene Personen gewöhnlich erforderlich, das heißt wenigstens eine für die horizontale Verlagerung und eine für die Betätigung der Bedienungstafel.
Zusätzlich ist es ein Nachteil, dass es mit einem Kran nicht in geeigneter Weise möglich ist, eine vertikale Verlagerung auf genaue Weise zu bewerkstelligen, wenn der Motor nicht mit einem Mechanismus versehen ist, welcher verschiedene Hubgeschwindigkeiten ermöglicht.
Eine wesentliche Unterscheidung zwischen einem Manipulator und einem Kran liegt darin, dass ein Manipulator automatisch einer vertikalen Verlagerung der Last folgt, welche vertikale Verlagerung dadurch realisiert werden kann, dass eine Kraft von Hand auf die Last ausgeübt wird. In dieser Beziehung ist die von Hand ausgeübte Kraft, welche zur Bewirkung einer vertikalen Verlagerung erforderlich ist, geringer als das Gewicht (oder noch genauer: Masse mal Schwerebeschleunigung) der Last.
Solche Manipulatoren sind an sich bekannt. Diese Manipulatoren sind immer mit Einrichtungen versehen, welche angepasst sind, um die durch das eine Kraft erzeugende Teil erzeugte Kraft im Wesentlichen konstant zu halten, während im wesentlichen die erzeugte Kraft oder ein mit ihr verbundener Parameter in jedem Fall gemessen wird.
Ein Nachteil der bekannten Manipulatoren liegt darin, dass sie nicht genau genug sind und/oder eine sehr beträchtliche Hysterese zeigen. Als eine Folge davon muss eine Bedienungsperson auf die Last eine minimale Kraft von Hand ausüben, welche verhältnismäßig groß ist, bevor der Manipulator reagiert und eine vertikale Verlagerung erfolgt. Innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung wird eine solche minimale, von Hand ausgeübte Kraft auch durch den Ausdruck "Nachführungsschwellenwert" bezeichnet.
Bekannte Manipulatoren haben einen recht hohen Nachführungsschwellenwert. Mehr im Einzelnen ist die minimale, von Hand ausgeübte Kraft, welche zur Bewerkstelligung einer vertikalen Verlagerung erforderlich ist, im Allgemeinen 5 bis 10% (oder mehr) des Gewichts der Last. Auf der einen Seite bedeutet dies im Falle von schweren Lasten, dass die Bedienungsperson noch durchaus einige Kraft ausüben muss. Auf der anderen Seite bedeutet dies innerhalb des Rahmens von rechtlichen Vorgaben, welche ein Maximum für Kraft festlegen, welche durch Personen ausgeübt werden, eine Begrenzung der Verwendbarkeit bekannter Manipulatoren. In den Niederlanden schreibt das Gesetz betreffend die Arbeitsbedingungen (Working Conditions Act) vor, dass es Personen nur gestattet ist, nicht mehr als 25 kg anzuheben; wenn ein Manipulator einen Nachführungsschwellenwert von 10% hat, bedeutet dies, dass dieser Manipulator nur für Lasten bis zu 250 kg verwendet werden kann.
Das Dokument US-A-5,456,130, welches als nächster Stand der Technik angesehen wird, offenbart einen Lastausgleichsarm, welcher auf eine leichte, durch eine Bedienungsperson ausgeübte Kraft anspricht, um die Last zu bewegen. Auf eine von einer Bedienungsperson ausgeübte Kraft hin greift ein Handgriff an Schaltern an, um dadurch im Allgemeinen eine Richtung der gewünschten Bewegung der Last anzugeben.
Es ist das Ziel der Erfindung, die obigen Nachteile zu überwinden.
Insbesondere ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Manipulator zu schaffen, welcher einen verhältnismäßig niedrigen Nachführungsschwellenwert aufweist.
Mehr im Einzelnen ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Manipulator zu schaffen, welcher für Lasten verwendbar ist, welche ein Gewicht bis zu 500 kg oder sogar mehr aufweisen.
Mehr im Einzelnen ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Manipulator zu schaffen, welcher automatisch die geeigneten Hebekräfte ausübt.
Mehr im Einzelnen ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Manipulator zu schaffen, welcher die Steuerung der vertikalen Geschwindigkeit mittels der Größe der von Hand ausgeübten Kraft steuert.
Zu diesem Zweck hat die Vorrichtung gemäß der Erfindung die Merkmale, wie sie in dem Anspruch 1 beschrieben sind.
Diese und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines Manipulators gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung klargestellt, in der:
Fig. 1 schematisch den Betrieb eines bekannten Manipulators darstellt; und
Fig. 2 schematisch den Betrieb eines Manipulators gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 1 zeigt schematisch das Prinzip eines bekannten Manipulators 1. Ein Greifteil 2, welches in dem dargestellten Beispiel ein Haken ist, ist an einem Ende 3 eines Arms 4 angebracht, welches Armende 3 vertikal verlagert werden kann. In dem dargestellten Beispiel kann der Arm als ein Ganzes vertikal in Bezug auf ein Gestell bzw. einen Frame 5 verlagert werden. Zwischen den Arm 4 und das Gestell bzw. den Frame 5 ist ein Kraft erzeugendes Teil 6 gekoppelt, welches in dem dargestellten Beispiel ein hydraulischer oder pneumatischer Zylinder ist. An dem Greifteil 2 ist eine Last 10 aufgehängt, deren Masse M kg ist, wobei die Gravitationskraft Fz, welche auf die Last 10 wirkt, M·g Newton ist, wobei g die Schwerebeschleunigung ist, welche etwa 10 m/s² beträgt.
Im Gleichgewicht übt der Kolben 6 auf den Arm 4 eine nach aufwärts gerichtete kompensierende Kraft Fc aus, deren Größe gleich Fz ist.
Eine Bedienungsperson P, welche wünscht, die Last 10 vertikal zu verlagern, übt eine Handkraft F auf die Last 10 aus, welche Kraft nach aufwärts gerichtet ist, wenn die Bedienungsperson wünscht, die Last 10 anzuheben. Theoretisch würde bereits eine kleine Kraft ausreichen, um die Last 10 aufwärts zu bewegen, weil dann F + Fc > Fz . In der Praxis hat jedoch die Konstruktion des Manipulators 1 immer einige innere Reibung, welche zuerst überwunden werden muss, bevor die Last beginnt, sich zu bewegen. Diese Reibung wird durch Fw bezeichnet.
In der Gestalt einer Formel bedeutet dies, dass die Last 10 nicht beginnt, sich zu bewegen, bis gilt: F > Fc - Fz + Fw .
Wenn die Last 10 dann beginnt, sich zu bewegen, führt dies zu einer Abnahme von Fc. Für einen pneumatischen Zylinder 6 kann man sich dies wie folgt vorstellen. Der Zylinder 6 hat einen Arbeitsraum, welcher korriprimierte Luft enthält, mit einem bestimmten Arbeitsdruck D. Die Kraft Fc, welche durch den Zylinder 6 ausgeübt wird, ist proportional zu D. Wenn der Arm 4 über eine gegebene Distanz verlagert wird, wird sich ein Kolben in dem Arbeitsraum bewegen, was verursacht, dass sich das Volumen V dieses Arbeitsraums um eine Größe 4 V ändert, wobei ΔV proportional zu der erwähnten Distanz ist. Dementsprechend, wie sich das Volumen V dieses Arbeitsraums vergrößert oder verkleinert bzw. zunimmt oder abnimmt, wird der Druck in diesem Arbeitsraum jeweils abnehmen oder zunehmen, wobei das Produkt G·V konstant bleibt. Demgemäß wird sich auch die Kraft Fc, welche proportional zu D ist, ebenso ändern.
Der Manipulator 1 weist eine Einrichtung auf, welche darauf gerichtet ist, dass sie veranlasst, dass die Kraft Fc, welche durch den Zylinder 6 erzeugt wird, im Wesentlichen konstant bleibt. Zu diesem Zweck ist ein Steuerventil 7 dem Zylinder 6 zugeordnet, welches Steuerventil wiederum mit einer Quelle für Druckluft gekoppelt ist. Wenn das Steuerventil 7 feststellt, dass der Druck in dem Arbeitsraum des Zylinders 6 geringer als ein voreingestellter niedrigerer Schwellenwert ist, gestattet das Steuerventil 7, dass Luft von der Quelle 8 in den Arbeitsraum strömt, bis dieser niedrigere Schwellenwert erreicht worden ist. Wenn das Steuerventil 7 feststellt, dass der Druck in dem Arbeitsraum des Zylinders 6 höher als ein voreingestellter oberer Schwellenwert ist, veranlasst das Steuerventil 7, dass Luft aus dem Arbeitsraum entweicht, bis der obere Schwellenwert erreicht worden ist. Diese oberen und unteren Schwellenwerte sind nicht gleich zueinander. In der Praxis kann eine Abweichung ΔD von 5 bis 10% dieses nominalen Drucks D notwendig sein, bevor das Steuerventil reagiert. In Prozentangaben entspricht dies einer gleich großen Variation bzw. Veränderung ΔFc von Fc. Hier wird ΔFc als ein Nachfolgeschwellenwert bezeichnet. Es versteht sich, dass, da im Gleichgewicht Fc gleich Fz ist, der Nachfolgeschwellenwert ΔFc als Prozentsatz von Fz : ΔFc = γFz ausgedrückt werden kann.
In der Gestalt einer Formel bedeutet dies, dass in der Praxis der bekannte Manipulator 1 nur aktiv der Verlagerung der Last 10 folgen kann, wenn die Verlagerung so groß ist, dass die folgende Formel erfüllt ist:
F > Fz - (1 - γ)Fz + Fw F > γFz + Fw .
Manipulatoren von der oben beschriebenen Bauart werden auch als Ausgleichsvorrichtungen (counter-balancing apparatus) bezeichnet, weil im Wesentlichen die durch jene Vorrichtung ausgeübte Kraft im Gleichgewicht mit der Gravitationskraft ist. Die EP-A-0 733 579 beschreibt solche Ausgleichsvorrichtungen, wobei die Kraft ausübenden Teile durch einen Elektromotor gebildet werden. In der in dieser Publikation beschriebenen Vorrichtung ist ein Teil zur Gewichtsmessung vorhanden, welches die auf die Last ausgeübte Kraft misst und ein Messsignal für ein Steuerteil für den Motor schafft, wobei das Steuerteil so eingerichtet ist, dass die auf die Last ausgeübte Kraft konstant gehalten wird, unabhängig von den in dem Manipulator auftretenden Reibungskräften.
Ein Nachteil einer solchen Ausgleichsvorrichtung ist es, dass, wenn die Last beispielsweise durch eine Bedienungsperson angehoben wird, der Gewichtssensor eine momentane bzw. kurzzeitige Gewichtsabnahme feststellt und die Ausgleichsvorrichtung versuchen wird, diese Veränderung zu kompensieren. Als Folge davon könnte eine Oszillation bzw. Schwingung erzeugt werden, wodurch die Last mitschwingend werden bzw. in Resonanzen geraten könnte. Tatsächlich wird dieses Problem in der obigen Publikation berücksichtigt und eine Lösung dessen wird durch Filtern des Messsignals versucht.
Ein weiterer Nachteil einer solchen Ausgleichsvorrichtung ist es, dass das genaue Manövrieren einer Last ziemlich schwierig ist, weil zuerst eine aufwärts gerichtete Kraft ausgeübt werden muss, damit sich die Last in einer Aufwärtsrichtung bewegt, keine Kraft während der Bewegung ausgeübt wird und nachfolgend eine abwärts gerichtete Kraft in der Nachbarschaft des Ziels bzw. Zielortes ausgeübt werden muss, um die sich die bewegende Last abzubremsen.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Manipulator, welcher dieses Problem nicht hat. Wie nachfolgend mehr im Einzelnen beschrieben werden wird, reagiert der Manipulator gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine aufwärts gerichtete Kraft durch aktives Anheben der Last und auf eine abwärts gerichtete Kraft durch aktives Absenken der Last, indem jeweils eine größere bzw. kleinere Kraft in Abhängigkeit von der Feststellung einer Gewichtsabnahme oder einer Gewichtszunahme ausgeübt wird. Während der Bewegung wird der Benutzer dann eine konstante Kraft ausüben, was viel mehr natürlich ist, und die Bewegung wird stoppen bzw. anhalten, wenn der Benutzer seine Einwirkung von Hand entfernt.
Fig. 2 stellt schematisch das Prinzip eines Manipulators 100 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. In dieser Figur sind Teile, welche identisch oder vergleichbar mit jenen in Fig. 1 sind, durch identische Bezugszeichen bezeichnet.
Der Manipulator 100 gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen elektrischen Motor 110, eine Steuereinheit 120 und einen Gewichtssensor bzw. -fühler 130 auf. Zwischen dem Gestell bzw. Frame 5 und dem Arm 4 sind Kraftübertragungseinrichtungen 111 gekoppelt, welche durch den elektrischen Motor 110 angetrieben werden, um eine vertikale Verlagerung des Arms 4 in Bezug auf das Gestell bzw. den Frame 5 zu bewirken. Diese Kraftübertragungseinrichtungen 111 können irgendwelche geeigneten Einrichtungen sein und können an sich bekannt sein. Sie können z. B. eine Gewindespindel bzw. Leitspindel aufweisen, welche in einem Teil des Arms 4 angreift, welcher mit einem entsprechenden Schraubengewinde versehen ist, wie dies leicht verständlich für alle Fachleute auf diesem Gebiet der Technik ist.
Der elektrische Motor 110 ist von einer Bauart, welche eine ziemlich große Kraft während des Stillstands oder einer sehr kleinen Drehzahl seiner angetriebenen Welle ausüben kann. Ein Beispiel eines solchen Motors ist ein Bremsmotor, für welchen ein Dreiphasen-Asynchronmotor mit Frequenzregelung verwendet werden kann. Da die Konstruktion eines solchen Motors und seine Steuerung bzw. Regelung keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden und ein Fachmann keine Kenntnis dessen für ein richtiges Verständnis der vorliegenden Erfindung benötigt, während ein die oben erwähnten Eigenschaften besitzender Motor an sich bekannt ist und in einem Manipulator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, werden diese nicht weiter beschrieben. Es reicht aus, zu berücksichtigen, dass der Motor eine Bremseinrichtung aufweist, welche während des Stillstands des Motors die angetriebene Welle in einer solchen Weise festhält, dass dann keine elektrische Energie verbraucht wird. Sobald eine Drehung des Motors erforderlich ist, wird diese Bremseinrichtung abgeschaltet.
Der Motor 110 wird durch die Steuereinheit 120 gesteuert, welche z. B. einen geeignet programmierten Prozessor oder Mikrocomputer enthalten kann, wie dies von einem Fachmann verstanden werden kann.
Der Gewichtssensor 130 wird zwischen dem Arm 4 und dem Greifteil 2 angeordnet. Falls dies gewünscht ist, kann der Gewichtssensor bzw. -fühler 130 einen Teil des Arms 4 des Greifteils 2 bilden. Der Gewichissensor bzw. -fühler 130 ist so eingerichtet, dass er ein elektrisches Signal erzeugt, welches repräsentativ für die vertikale Kraft ist, welche auf den Arm 4 durch die Last 10 (und das Greifteil 2) ausgeübt wird. Genauer gesagt und unter Bezug auf Fig. 1, ist das durch den Gewichtssensor bzw. -fühler 130 erzeugte elektrische Signal repräsentativ für die vertikale Komponente der Vektorsumme der Gravitationskraft Fz und der von Hand ausgeübten Kraft F. Ein Beispiel eines solchen Sensors bzw. Fühlers ist ein Dehnungsmessstreifen, wie dies von einem Fachmann verstanden werden wird. Ein Signalausgang des Sensors bzw. Fühlers 130 ist mit einem Signaleingang der Steuereinheit 120 verbunden.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, und zwar wegen der gewählten Position des Sensors bzw. Fühlers 130, dass der Motor 110 genau auf kleine Änderungen in der von Hand durch die Bedienungsperson ausgeübten Einwirkung auf die Last (oder auf das Greifteil) reagiert, so dass die Bedienungsperson diese Last mit nur einer geringen Kraft handhaben kann.
Der Betrieb des Manipulators 100 ist wie folgt.
Das Greifteil 2 ist mit der Last 10 gekuppelt und ein Startbefehl wird an die Steuereinheit 120 gegeben. Die Steuereinheit 120 ist geeignet, in Abhängigkeit von dem Startbefehl den Motor 110 zu veranlassen, eine zunehmende Kraft Fc auszuüben. Anfänglich ruht die Last 10 z. B. auf dem Boden eines Arbeitsraums und das von dem Sensor bzw. Fühler 130 festgestellte Gewicht ist Null. In dem Maße, wie die Kraft Fc zunimmt, nimmt auch das von dem Sensor bzw. Fühler 130 festgestellte Gewicht zu, was durch die Steuereinheit 120 festgestellt wird. Wenn Fc genau eine solche Größe besitzt, dass Fz kompensiert ist, ist das Ergebnis einer weiter zunehmenden Kraft Fc, dass der Arm 4 und demgemäß der Motor 110 sich zu bewegen beginnt, während das durch den Sensor bzw. Fühler 130 festgestellte Gewicht konstant bleibt. Die Steuereinheit 120 ist eingerichtet, um, wenn eine solche Bedingung erreicht wird, die Größe des entsprechenden Signals des Sensors bzw. Fühlers in einem Speicher 140, zu speichern, welcher der Steuereinheit 120 zugeordnet ist, und um den Motor stationär bzw. stillstehend zu halten. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 120 auf den Motor 110 reagieren, welcher sich zu bewegen beginnt und/oder das durch den Sensor bzw. Fühler 130 festgestellte Gewicht nicht weiter zunimmt.
Der oben beschriebene automatische Vorgang bzw. Ablauf der Einstellung ist unabhängig von dem Gewicht der Last 10, was eine erhöhte Bequemlichkeit bei der Steuerung für den Benutzer darstellt.
Wie erwähnt, ist das Signal von dem Sensor bzw. Fühler 130, wie es durch die Steuereinheit 120 empfangen wird, repräsentativ für das Gewicht der Last 10. In einer bevorzugten Ausführungsform des Manipulators 100 ist die Steuereinrichtung 120 so eingerichtet, dass sie auf einem Display bzw. Anzeigefeld (der Einfachheit halber nicht dargestellt) das diesem Signal entsprechende Gewicht anzeigt.
Es ist zu beobachten, dass es erreicht werden kann, den Motor 110 stationär bzw. stillstehend zu halten, indem der Motor mit einem konstanten Strom gesteuert wird, damit veranlasst wird, dass der Motor ein konstantes Drehmoment ausübt. Dies verbraucht jedoch viel Energie. Aus diesem Grund wird vorzugsweise ein Motor, welcher eine Bremseinrichtung besitzt, verwendet und es wird erreicht, den Motor stationär bzw. stillstehend zu halten, indem diese Bremseinrichtung gesteuert wird. Somit wird die kompensierende Kraft Fc dann durch die Bremseinrichtung erzeugt.
Die Steuerschaltung, welche durch den Motor 110, die Steuereinheit 120 und den Sensor bzw. Fühler 130 gebildet wird, hat zwei wichtige Merkmale. An der ersten Stelle hält die Steuereinheit 120 den Motor 110 stationär bzw. stillstehend, solange wie die durch den Sensor bzw. Fühler 130 festgestellte Kraft demjenigen Wert entspricht, welcher in dem Speicher 140 gespeichert ist, wobei die Größe von Fc keine Rolle spielt. Herkömmliche Systeme versuchen andererseits, die Größe von Fc konstant zu halten.
An der zweiten Stelle ist die Steuereinheit 120 geeignet, um auf Änderungen in dem durch den Sensor bzw. Fühler 130 erzeugten Signal zu reagieren. Wenn eine Kraft F auf die Last 10 durch eine Bedienungsperson ausgeübt wird, wird eine Änderung in dem durch den Sensor bzw. Fühler 130 erzeugten Signal verursacht. Die Steuereinheit 120 ist geeignet, das Sensor- bzw. Fühlersignal kontinuierlich mit dem in dem Speicher 140 gespeicherten Wert zu vergleichen. Wenn die Differenz zwischen dem Sensor- bzw. Fühlersignal und dem in dem Speicher 140 gespeicherten Wert größer als ein voreingestellter Reaktionsschwellenwert ist, wird die Differenz durch die Steuereinheit 120 als ein Steuerungsbefehl betrachtet.
Der obige Reaktionsschwellenwert kann einen konstanten Wert haben oder er kann ein Prozentsatz des in dem Speicher 140 gespeicherten Werts sein. Vorzugsweise kann dieser Reaktionsschwellenwert durch einen Benutzer innerhalb gewisser Grenzen eingestellt werden.
Die Steuereinheit 120 ist geeignet, den Motor 110 zur Drehung anzutreiben, und zwar in Abhängigkeit von dem obigen Steuerbefehl mit der Richtung der Drehung in Abhängigkeit von dem Vorzeichen dieser Differenz zwischen dem Sensor- bzw. Fühlersignal und dem in dem Speicher 140 gespeicherten Wert. Wenn z. B. eine Bedienungsperson eine aufwärts gerichtete Kraft auf die Last 110 ausübt, ist die durch den Sensor bzw. Fühler 130 festgestellte Kraft kleiner als die dem in dem Speicher 140 gespeicherten Wert zugeordnete Kraft: In diesem Fall wird der Motor 110 für eine Aufwärtsverlagerung des Arms 4 angetrieben.
Auf diese Weise dient die durch die Bedienungsperson ausgeübte Einwirkung von Hand nicht hauptsächlich dazu, die Last 10 zu verlagern, sondern dazu, über den Sensor bzw. Fühler 130 ein Steuersignal für die Steuereinheit 120 zu erzeugen.
Wegen der großen Empfindlichkeit solcher Sensoren bzw. Fühler ist es möglich, verhältnismäßig kleine Handkräfte festzustellen. Die bedeutet, dass es möglich ist, ziemlich schwere Lasten mit verhältnismäßig kleinen Kräften zu handhaben. Beispielsweise ist es möglich, eine Last von 500 kg mit einer von Hand ausgeübten Kraft von 1 kg zu handhaben.
Die Drehzahl des Motors 110 kann unabhängig von der Größe der Differenz zwischen dem Sensor- bzw. Fühlersignal und dem in dem Speicher 140 gespeicherten Wert sein. Vorzugsweise ist jedoch die Drehzahl des Motors 110 innerhalb gewisser Grenzen proportional zu der Größe der Differenz zwischen dem Sensor- bzw. Fühlersignal und dem in dem Speicher 140 gespeicherten Wert. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die lineare (vertikale) Geschwindigkeit der Verlagerung des Arms 2 cm/s bei einer Handkraft von 1 kg und 20 cm/s bei einer Handkraft von 10 kg.
Es versteht sich, dass der oben beschriebene Betrieb der Steuereinheit durch eine feste Programmierung (Hardware) eingerichtet werden kann, aber auch mittels einer veränderbaren Programmierung (Software).
Ein weiterer Vorteil des Manipulators 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, dass kein Gebrauch von hydraulischen oder pneumatischen Zylindern gemacht wird, wodurch ein Umweltproblem, welches durch Öl gebildet wird, verringert wird. Weiterhin ist der Manipulator 100 gemäß der vorliegenden Erfindung viel effizienter bezüglich Energie.
Es wird für alle Fachleute auf diesem Gebiet leicht einzusehen sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert ist, nicht auf die in der Zeichnung gezeigten und erörterten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass es möglich ist, die gezeigten Ausführungsformen des Manipulators gemäß der Erfindung innerhalb des Rahmens des Erfindungskonzepts, wie es durch die Ansprüche definiert ist, zu ändern oder zu modifizieren. Zum Beispiel ist es möglich, dass der Arm 4 einen oder mehrere Schwenkpunkte aufweist, um das Ende 3 des Arms 4 zu veranlassen, eine horizontale Verlagerung auszuführen bzw. zu veranlassen. Es ist auch möglich, dass der Arm 4 anstelle vertikal als ein Ganzes verlagert zu werden, eine vertikale Schwenkbewegung in Bezug auf das Gestell bzw. den Frame 5 ausführt.

Claims

1. Ein Manipulator (100), welcher aufweist:

ein Gestell bzw. einen Frame (5);

einen Arm (4), welcher vertikal in Bezug auf das Gestell bzw. den Frame (5) bewegt werden kann;

ein Greifteil (2), welches an einem Ende (3) des Arms (4) befestigbar ist;

eine Kraftübertragungseinrichtung (111), welche zwischen das Gestell bzw. dem Frame (5) und den Arm (4) gekoppelt ist, um eine vertikale Verlagerung bzw. einen vertikalen Hub des Arms (4) zu bewirken;

einen Motor (110) zum Antreiben der Kraftübertragungseinrichtung (111);

eine Steuereinheit (120) zum Steuern des Elektromotors (110), welche Steuereinheit (120) einen Speicher (140) aufweist;

einen Gewichtssensor bzw. -fühler (130), welcher dem Greifteil (2) zugeordnet ist und eingerichtet ist, ein Messsignal zu erzeugen, welches der Größe der Vertikalkraft, welche auf das Greifteil (2) wirkt, entspricht; und

wobei ein Signalausgang des Sensors bzw. Fühlers (130) an einen Signaleingang der Steuereinheit (120) gekoppelt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Motor (110) ein Elektromotor ist und dass die Steuereinheit (120) dazu eingerichtet ist, im Betriebsmodus den Wert des durch den Sensor bzw. Fühler (130) erzeugten Signals mit einem Wert zu vergleichen, welcher in dem Speicher (140) gespeichert ist, und dass die Steuereinheit (120) so eingerichtet ist, dass der Motor (110) zur Drehung angetrieben wird, wenn die gemessene Differenz größer als ein voreingestellter Reaktionsschwellenwert ist, wobei die Richtung der Drehung derart ist, dass der Arm (4) aktiv eine Last anhebt, wenn das gemessene Gewicht geringer als der in dem Speicher (140) gespeicherte Wert ist, während der Arm (4) aktiv eine Last absenkt, wenn das gemessene Gewicht größer als der in dem Speicher (140) gespeicherte Wert ist.

2. Ein Manipulator gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (120) geeignet ist, um in einem Betriebsmodus den Wert des durch den Sensor (130) erzeugten Signals mit dem in dem Speicher (140) gespeicherten Wert zu vergleichen und den Motor (110) stillstehend bzw. stationär zu halten, wenn die gemessene Differenz geringer als der voreingestellte Reaktionsschwellenwert ist.

3. Ein Manipulator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (120) geeignet ist, die Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Motors (110) im Verhältnis zu der Größe der gemessenen Differenz zwischen dem durch den Sensor bzw. Fühler (130) erzeugten Signal und dem in dem Speicher (140) gespeicherten Wert zu steuern.

4. Ein Manipulator gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der besagte Reaktionsschwellenwert einstellbar ist und vorzugsweise etwa 1 kg ist.

5. Ein Manipulator gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (120) geeignet ist, um in Abhängigkeit von einem Initiierungs- bzw. Auslösungsbefehl die Leistung des Motors zu erhöhen, bis die durch den Sensor bzw. Fühler (130) gemessene Kraft nicht mehr zunimmt und dann den Wert des durch den Sensor bzw. Fühler (130) erzeugten Signals in dem Speicher (140) zu speichern.

6. Ein Manipulator gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinheit (120) so eingerichtet ist, dass in Abhängigkeit von dem Initiierungs- bzw. Auslösungsbefehl die Leistung des Motors (110) gesteigert wird, bis der Motor (110) beginnt, sich aus dem Stillstand bzw. dem stationären Zustand zu bewegen und dann den Wert des durch den Sensor bzw. Fühler (130) erzeugten Signals in dem Speicher (140) zu speichern.