EP3148757A1 - Vorrichtung und verfahren zur kompensation der gewichtskraft - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur kompensation der gewichtskraft

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Publication number
EP3148757A1
EP3148757A1 EP15728438.1A EP15728438A EP3148757A1 EP 3148757 A1 EP3148757 A1 EP 3148757A1 EP 15728438 A EP15728438 A EP 15728438A EP 3148757 A1 EP3148757 A1 EP 3148757A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
manipulator
support
kinematics
force
counterforce
Prior art date
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Pending
Application number
EP15728438.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Ehrenleitner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huber Diffraktionstechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Huber Diffraktionstechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huber Diffraktionstechnik GmbH and Co KG filed Critical Huber Diffraktionstechnik GmbH and Co KG
Publication of EP3148757A1 publication Critical patent/EP3148757A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1638—Programme controls characterised by the control loop compensation for arm bending/inertia, pay load weight/inertia
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J18/00—Arms
    • B25J18/002—Arms comprising beam bending compensation means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0008—Balancing devices

Definitions

  • the application relates to a method and a device for compensating the weight force on a manipulator.
  • a device or machine which has a series of largely rigid components, which are connected by joints.
  • Manipulators serve the purpose of gripping or picking up, positioning and / or moving loads such as tools or workpieces, measuring devices or other objects and / or humans or animals.
  • the components are referred to as arms or links.
  • a manipulator usually has a plurality of degrees of freedom.
  • the joints can have both rotational and translatory degrees of freedom.
  • the entirety of the links and the joints is referred to in connection with the application as kinematics of the manipulator.
  • manipulators For example, the use of manipulators is known as a goniometer.
  • the transducers and samples are positioned in the room by different manipulators and measured in different solid angles.
  • it is necessary that the measuring center is maintained as accurately as possible at a desired angle change of the sample.
  • a minimum eccentricity of the axes of rotation is first required.
  • the weight force influences the behavior of the manipulator, whereby the influence of the weight force is inter alia also dependent on the orientation of the manipulator.
  • the kinematics of the manipulator In order to minimize an influence of the weight of the manipulator and possibly a recorded load on a positioning, it is known to design the kinematics of the manipulator as stiff as possible, so that a deflection of the links due to the weight is as low as possible.
  • the compensating actuator comprises a movement unit translatable in the first and second, preferably also in the third spatial direction, at least one actuator
  • the first solid-body joint assembly with a mechanically coupled to the movement unit, a first simple lever forming the first Festkorpergelenkan für, wherein by means of the at least one actuator, the first Festkorpergelenkan ever deflectable and thus due to this first coupling, the movement unit is translationally deflected in the first spatial direction
  • a second solid-body hinge assembly with a mechanically coupled to the movement unit and / or the first solid-state joint assembly, a toggle lever forming second Festkorpergelenkan für, wherein by means of the at least one actuator, the second Festkorpergelenkan extract ever deflectable and thus the movement unit is translationally deflected in the second spatial direction due
  • a holding device for a medical-optical instrument with a support arm for receiving a load wherein the support arm is pivotally mounted in a first pivot relative to a holding unit.
  • the holding device comprises means, in particular spring elements, for generating a longitudinal force which acts on the support arm to compensate for a load torque occurring in the first pivot of the support arm, wherein the means for generating a longitudinal force is pivotally mounted on the support unit and a force a cam carrier exerts, which is in operative connection with the support arm.
  • the pivotal mounting is to ensure that the weight of the means for generating the longitudinal force is not loaded on the support arm and thus the means for generating the longitudinal force to compensate for a load torque in the pivot joints of the support arm does not have to compensate its own weight.
  • a method for compensating the weight force on a manipulator wherein a variable counterforce is generated and the generated counterforce is applied to the manipulator by means of a support kinematics contacting the manipulator in a force application area.
  • the variable counterforce is chosen such that an amount of the counterforce corresponds at least substantially to an amount of the force acting on the force application area due to the gravitational acceleration and the counterforce is directed at least substantially parallel and oppositely to the gravitational acceleration.
  • a device for compensating the weight force comprising a force generating arrangement, by means of which a variable reaction force can be generated, and a support kinematics, wherein the manipulator can be acted upon by the support kinematics in at least one force application area with the generated counterforce and an amount of the counterforce corresponds at least substantially to an amount of the force acting on the force application area due to the gravitational acceleration and the counterforce is directed at least substantially parallel and oppositely to the gravitational acceleration.
  • the transmission kinematics is suitably designed depending on the available space or other requirements.
  • the necessary force is preferably generated by means of a spring arrangement.
  • a power generation by means of other devices which allows a constant force generation, such as magnets, pneumatic devices, engine torque controls or the like, conceivable.
  • the counterforce preferably takes into account all the relevant masses of the manipulator and a possibly recorded load.
  • the support kinematics may have a low inherent rigidity, as long as it is ensured that the force is conducted to the force application area.
  • the support kinematics has at least one support section, by means of which the support kinematics contacts the manipulator in the at least one force application region.
  • the at least one support section contacts the manipulator at a location suitable for this purpose.
  • the support portion of the manipulator at an effective range, ie at a free end or contacted to a recorded load.
  • an effect of the positioning inaccuracy due to the weight force in the relevant region can be reduced particularly advantageously.
  • all three translatory degrees of freedom are bound to the support section.
  • the support kinematics comprises a base and at least two links, wherein the force generation arrangement is arranged on the base and the support kinematics directs the counterforce to the at least one support section.
  • the limbs are coupled with each other and with the base via joints, in particular rotary joints.
  • the links of the support kinematics are arranged pivotable about a common, virtual pivot point, wherein the support section lies in the virtual pivot point.
  • applied weight forces therefore do not lead to a shift in the support kinematics, but are compensated by the applied counterforce.
  • At least one joint of the support kinematics is associated with an additional drive.
  • the support kinematics is held in a desired position, wherein the counterforce for a compensation of the weight force by means of the force generating arrangement is applied.
  • all three rotational degrees of freedom are bound to the base.
  • the support kinematics is designed according to a kinematics of the manipulator and is arranged in or on the kinematics of the manipulator. This ensures that the support kinematics does not hinder the manipulator in its movement and / or does not obstruct a working space of the manipulator.
  • the support kinematics in one embodiment driving elements for coupling with the manipulator.
  • the support kinematics preferably has a low weight and joints with low friction, so that no or only small additional forces are necessary for a movement of the support kinematics.
  • the manipulator comprises two members, which are arranged around two at an angle of about 0 ° to about 90 ° to each other arranged axes, in particular two at an angle of about 5 ° to about 90 ° to each other, each other in one common virtual pivot intersecting axes, are pivoted.
  • the manipulator has a high positioning accuracy and can be used for example as a goniometer.
  • FIG. 1 shows a device for compensating the weight force on a manipulator according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a system comprising a device and a manipulator according to a second exemplary embodiment in a perspective view
  • FIG. 3 shows the system according to FIG. 2 in a side view
  • FIG. 4 shows the system according to FIG. 2 in a sectional side view
  • FIG. 5 shows the device for the system according to FIG. 2 in a perspective representation
  • FIG. 6 shows a detail VI according to FIG. 5
  • FIG. FIG. 7 shows a system comprising a device and a manipulator according to a third exemplary embodiment in a sectional side view similar to FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a detail VI according to FIG. 5
  • FIG. 7 shows a system comprising a device and a manipulator according to a third exemplary embodiment in a sectional side view similar to FIG. 4;
  • FIG. 8 shows the device for the system according to FIG. 7 in a perspective view
  • FIG. 9 shows a system comprising a device and a manipulator according to a fourth exemplary embodiment in a sectional side view similar to FIG. 4;
  • Fig. 10 shows the device for the system of FIG. 9 in a perspective view
  • FIG. 11 shows a detail XI according to FIG. 10.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a device 1 for compensating the weight on a manipulator 2, wherein only one member 20 is shown by the manipulator.
  • the weight 20 acts on the member 20.
  • the device 1 comprises a force generating arrangement 10, by means of which a variable reaction force F can be generated.
  • the illustrated force generating assembly 10 is designed as a spring arrangement.
  • the device 1 further comprises a support kinematics 12, wherein the manipulator 2 on the member 20 by means of the support kinematics 12 in a force application region 22 with the generated counterforce F can be acted upon.
  • An amount of the counterforce F corresponds at least substantially to an amount of the weight force G acting on the force application area due to the gravitational acceleration, but the counterforce F is directed counter to the gravitational acceleration.
  • a force application region 22 is selected such that the applied counterforce F passes through the center of gravity of the member 20 or the relevant masses of the manipulator 2 in its current position, so that no moments are entered.
  • torque-free support is provided by means of a support kinematics which contacts the manipulator 2 in two force application regions.
  • the support kinematics 12 has a support section 120, with which it contacts the manipulator in a force application region 22.
  • a cylindrical support portion 120 is provided.
  • a spherical support portion 120 is provided for a punctiform contact.
  • the support kinematics 12 includes a base 122 on which the force generating assembly is disposed.
  • the base 122 is supported by means of a bearing assembly 14 such that all three rotational degrees of freedom are locked.
  • the translational degrees of freedom in the plane perpendicular to the gravitational acceleration (z and x direction in the illustration) are blocked.
  • a movement parallel to the gravitational acceleration (y-direction in the illustration), however, is possible for a force introduction.
  • 2 to 4 show a system 3 comprising a device 1 and a manipulator 2 according to a second embodiment in a perspective view, a side view and a sectional side view.
  • FIG. 5 shows the device 1 for the system 3
  • FIG. 6 shows a detail VI according to FIG. 5.
  • the 2 to 4 comprises two members 24, 26, which are arranged about two axes A1, which are arranged at an angle of approximately 60 ° to one another and which intersect in a common virtual pivot P (see FIG. A2 are pivotable. In other embodiments, the axes are arranged at a different angle to each other.
  • the first member 24 is L-shaped with two legs 240, 241.
  • the first leg 240 is coupled to a foundation, not shown, so that the member 24 about a horizontal axis A1 (x-axis in Fig. 2) is pivotable.
  • the second member 26 is disposed on the second leg 241 and pivotable about the axis A2.
  • the manipulator 2 is designed such that a pivoting about the axes A1 and A2 in each case by 360 ° is possible.
  • the second member 26 is V-shaped.
  • On the second member 26, a load to be positioned 28 is arranged.
  • the load 28 is arranged in the virtual pivot point P and changes its orientation in space during a movement of the
  • a device 1 with a force-generating arrangement 10 and a support kinematics 12 which acts on the manipulator 2 with an opposing force.
  • the illustrated support kinematics 12 is constructed in accordance with the manipulator 2 and also includes two members 124, 126.
  • the support kinematics 12 is shown in FIG arranged the manipulator 2 and is moved with this.
  • the second member 126 is coupled at its free end to the load 28 by means of a support portion, not shown, so that the load 28 is acted upon in the virtual pivot point P by means of the counterforce in a force application region 22. All three translational degrees of freedom are bound to the support section arranged in the virtual pivot P.
  • the support kinematics 12 further includes a base 128 in addition to the two members 124, 126.
  • the force generating assembly 10 is disposed on the base 128.
  • the support kinematics 12 directs the counterforce to the support section.
  • the base 128 is supported by means of a bearing assembly 14 on the foundation of the manipulator 2, not shown.
  • On the support kinematics 12 further preferably not shown driver or the like are provided, so that the movement of the manipulator is transferable to the support kinematics.
  • the joints of the support kinematics 12 are preferably low friction, so that only low frictional forces are opposed to the movement.
  • the bearing assembly 14 is shown in detail in FIG.
  • the illustrated bearing assembly 14 is designed as a so-called delta kinematics.
  • a delta kinematics is a parallel kinematics comprising a working body and a base body, in which the working body is movable relative to the main body in all three translational degrees of freedom, while all three rotational degrees of freedom are locked.
  • movements of the base 128 in all three rotational degrees of freedom are blocked. Movement of the base 128 in the z and x directions is permitted to avoid tension. The movement in the y-direction is used for the introduction of force.
  • FIG. 7 shows a system 3 comprising a device 1 and a manipulator 2 according to a third exemplary embodiment in a sectional side view similar to FIG. 4.
  • FIG. 8 shows the device 1 for the system 3 according to FIG. 7 in a perspective view.
  • the system 3 is similar to the system 3 shown in FIGS. 2 to 6, and the same or similar components use the same reference numerals.
  • the manipulator 2 is identical in construction to the manipulator according to FIGS. 2 to 4. However, the device 1 is designed such that the counterforce is not applied in the region of the virtual pivot, but on a leg 260 of the second member 26.
  • the support kinematics 12 comprises a support section 129, by means of which it makes contact with the second leg 260 at the force application region 22.
  • the support portion 129 is designed as a ball joint.
  • a drive 16 is provided at each of the two joints, which act as brakes and apply moments which correspond to a displacement of the support section 129 counter.
  • the drives 16 do not serve to position the links 24, 26 of the manipulator 2.
  • FIG. 9 shows a system 3 comprising a device 1 and a manipulator 2 according to a fourth exemplary embodiment in a sectional side view similar to FIG. 4.
  • FIG. 10 shows the device 1 for the system 3 according to FIG. 9 in a perspective illustration and FIG. FIG. 1 shows a detail XI according to FIG. 10.
  • the system 3 is similar to the system 3 according to FIGS. 2 to 6 and the same or similar components use the same reference numbers.
  • the manipulator 2 is identical to the manipulator according to FIGS. 2 to 4.
  • a force transmission takes place on a virtual ball joint whose center forms a momentary pole M for the application of force to the manipulator 2.
  • the virtual ball joint includes three rods 127, with axes of the rods 127 intersecting in the instantaneous pole M.
  • the position of the instantaneous pole M is selected in advantageous embodiments such that the position corresponds to the center of gravity of the manipulator 2.
  • the rods 127 are arranged by means of ball joints on the member 126 of the support kinematics 12 in the illustrated embodiment.
  • the rods 127 are integrally or monolithically connected to a member, wherein - depending on the design of the manipulator 2 and the support kinematics - the deviations between the position of the instantaneous center M and the position of the center of gravity are negligibly small.
  • the free ends of the rods 127 contact the manipulator 2 and serve as real support portions 129.
  • at the two joints each have a drive 16 provided, which act as brakes and apply torques, which are opposed to a displacement of the instantaneous center M.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Kompensation der Gewichtskraft (G) an einem Manipulator (2), wobei eine variable Gegenkraft (F) erzeugt wird, wobei die erzeugte Gegenkraft (F) auf den Manipulator (2) mittels einer den Manipulator in einem Kraftangriffsbereich (22) kontaktierenden Unterstützungskinematik (12) aufgebracht wird, und wobei ein Betrag der Gegenkraft (F) zumindest im Wesentlichen einem Betrag der aufgrund der Schwerebeschleunigung an dem Kraftangriffsbereich wirkenden Gewichtskraft (G) entspricht und die Gegenkraft (F) zumindest im Wesentlichem parallel und entgegengerichtet zur Schwerebeschleunigung gerichtet ist. Die Erfindung betrifft weiter ein System umfassend einen Vorrichtung (1) und einen Manipulator (2).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Kompensation der Gewichtskraft
Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation der Gewichtskraft an einem Manipulator.
Als Manipulator wird im Zusammenhang mit der Anmeldung eine Vorrichtung oder Maschine verstanden, welche eine Folge von weitgehend starren Komponenten aufweist, die durch Gelenke verbunden sind. Manipulatoren dienen dem Zweck, Lasten wie Werkzeuge oder Werkstücke, Messgeräte oder andere Gegenstände und/oder Menschen oder Tiere zu greifen oder aufzunehmen, zu positionieren und/oder zu bewegen. Die Komponenten werden als Arme oder Glieder bezeichnet. Ein Manipulator weist üblicher weise mehrere Freiheitsgrade auf. Die Gelenke können sowohl rotatorische als auch translatorische Freiheitsgrade besitzen. Die Gesamtheit der Glieder und der Gelenke wird im Zusammenhang mit der Anmeldung als Kinematik des Manipulators bezeichnet.
Beispielsweise ist die Verwendung von Manipulatoren als Goniometer bekannt. Hierbei werden durch unterschiedliche Manipulatoren Aufnehmer und Proben im Raum positioniert und in unterschiedlichen Raumwinkeln vermessen. Für eine exakte Vermessung ist es notwendig, dass bei einer gewollten Winkeländerung der Probe das Messzentrum möglichst exakt erhalten bleibt. Um die erforderliche Präzision zu erzielen, ist zunächst eine minimale Exzentrizität der Drehachsen erforderlich.
Die Gewichtskraft beeinflusst das Verhalten des Manipulators, wobei der Einfluss der Gewichtskraft unter anderem auch von der Ausrichtung des Manipulators abhängig ist. Um einen Einfluss der Gewichtskraft des Manipulators und ggf. einer aufgenommenen Last auf eine Positionierung zu minimieren, ist es bekannt, die Kinematik des Manipulators möglichst steif auszulegen, sodass eine Auslenkung der Glieder aufgrund der Gewichtskraft möglichst gering ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es aus DE 10 2009 035 877 A1 bekannt, eine Ausgleichsaktorik zum Durchführen von translatorischen Ausgleichsbewegungen in eine erste, in eine zweite Raumrichtung, und bevorzugt auch in eine dritte Raumrichtung vorzusehen. Die Ausgleichsaktorik umfasst eine in die erste und zweite, bevorzugt auch in die dritte Raumrichtung translatorisch bewegbare Bewegungseinheit, mindestens einen Aktuator, eine erste Festkörpergelenkbaugruppe mit einer mechanisch an die Bewegungseinheit gekoppelten, einen ersten einfachen Hebel ausbildenden ersten Festkorpergelenkanordnung, wobei mittels des mindestens einen Aktuators die erste Festkorpergelenkanordnung auslenkbar und damit aufgrund dieser erster Kopplung die Bewegungseinheit translatorisch in die erste Raumrichtung auslenkbar ist, und eine zweite Festkörpergelenkbaugruppe mit einer mechanisch an die Bewegungseinheit und/oder die erste Festkörpergelenkbaugruppe gekoppelten, einen Kniehebel ausbildenden zweiten Festkorpergelenkanordnung, wobei mittels des mindestens einen Aktuators die zweite Festkorpergelenkanordnung auslenkbar und damit aufgrund dieser zweiten Kopplung die Bewegungseinheit translatorisch in die zweite Raumrichtung auslenkbar ist. Durch die Ausgleichsaktorik soll eine hohe Positioniergenauigkeit erzielt werden.
Weiter ist es bekannt, zur Kompensation der Gewichtskraft auf die Glieder des Manipulators ein Moment aufzubringen, welches einer Belastung der Glieder aufgrund der Gewichtskraft entgegen wirkt. Beispielsweise ist aus WO 2007/054327 eine Haltevorrichtung für ein medizinisch-optisches Instrument mit einem Tragarm zur Aufnahme einer Last bekannt, wobei der Tragarm in einem ersten Drehgelenk relativ zu einer Halteeinheit schwenkbar gelagert ist. Die Haltevorrichtung umfasst Mittel, insbesondere Federelemente, zum Erzeugen einer Längskraft, die auf den Tragarm wirkt, um ein in dem ersten Drehgelenk des Tragarms auftretendes Last-Drehmoment auszugleichen, wobei das Mittel zum Erzeugen einer Längskraft an der Halteeinheit schwenkbar gelagert ist und eine Kraft auf einen Kurventräger ausübt, der mit dem Tragarm in Wirkverbindung steht. Durch die schwenkbare Lagerung soll erreicht werden, dass das Gewicht des Mittels zum Erzeugen der Längskraft nicht auf dem Tragarm lastet und somit das Mittel zum Erzeugen der Längskraft zum Ausgleich eines Last- Drehmoments in den Drehgelenken des Tragarms nicht auch sein Eigengewicht kompensieren muss.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation der Gewichtskraft an einem Manipulator, wobei eine Kompensation unabhängig von einer Stellung des Manipulators sicher möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Kompensation der Gewichtskraft an einem Manipulator geschaffen, wobei eine variable Gegenkraft erzeugt wird und die erzeugte Gegenkraft auf den Manipulator mittels einer den Manipulator in einem Kraftangriffsbereich kontaktierenden Unterstützungskinematik aufgebracht wird. Die variable Gegenkraft wird dabei derart gewählt, dass ein Betrag der Gegenkraft zumindest im Wesentlichen einem Betrag der aufgrund der Schwerebeschleunigung an dem Kraftangriffsbereich wirkenden Kraft entspricht und die Gegenkraft zumindest im Wesentlichem parallel und entgegengerichtet zur Schwerebeschleunigung gerichtet ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Kompensation der Gewichtskraft an einem Manipulator geschaffen, umfassend eine Krafterzeugungsanordnung, mittels der eine variable Gegenkraft erzeugbar ist, und eine Unterstützungskinematik, wobei der Manipulator mittels der Unterstützungskinematik in mindestens einem Kraftangriffsbereich mit der erzeugten Gegenkraft beaufschlagbar ist und wobei ein Betrag der Gegenkraft zumindest im Wesentlichen einem Betrag der aufgrund der Schwerebeschleunigung an dem Kraftangriffsbereich wirkenden Kraft entspricht und die Gegenkraft zumindest im Wesentlichem parallel und entgegengerichtet zur Schwerebeschleunigung gerichtet ist.
Durch Aufbringen einer Gegenkraft mittels einer Unterstützungskinematik ist es möglich, einer Verformung des Manipulators aufgrund der Schwerebeschleunigung entgegenzuwirken. Dadurch wird erreicht, dass der Manipulator abgestützt wird, wobei gleichzeitig eine kinematische Überbestimmung, welche aus einer Abstützung mittels einer ortsfest angeordneten Stütze resultieren würde, vermieden wird. Die Übertragungskinematik ist dabei je nach vorhandenem Bauraum oder anderen Anforderungen geeignet gestaltbar. Die notwendige Kraft ist vorzugsweise mittels einer Federanordnung erzeugbar. Alternativ ist eine Krafterzeugung mittels anderer Einrichtungen, welche eine konstante Krafterzeugung ermöglicht, wie Magneten, pneumatische Einrichtungen, motormomentregelungen oder dergleichen, denkbar. Die Gegenkraft berücksichtigt vorzugsweise alle relevanten Massen des Manipulators und einer gegebenenfalls aufgenommenen Last. Die Unterstützungskinematik kann dabei eine geringe Eigensteifigkeit aufweisen, solange gewährleistet ist, dass die Kraft an den Kraftangriffsbereich geleitet wird.
In vorteilhaften Ausgestaltungen weist die Unterstützungskinematik mindestens einen Stützabschnitt auf, mittels welchem die Unterstützungskinematik den Manipulator in dem mindestens einen Kraftangriffsbereich kontaktiert. Der mindestens eine Stützabschnitt kontaktiert den Manipulator an einer hierfür geeigneten Stelle. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass der Stützabschnitt den Manipulator an einem Wirkbereich, d.h. an einem freien Ende oder an einer aufgenommenen Last kontaktiert. Dadurch ist eine Auswirkung der Positionierungenauigkeit aufgrund der Gewichtskraft in dem relevanten Bereich besonders vorteilhaft reduzierbar. Es ist jedoch auch denkbar, einen Manipulator mit mehreren Gliedern an einem der Glieder mittels der Gegenkraft abzustützen.
An dem Stützabschnitt sind in vorteilhaften Ausgestaltungen alle drei translatorischen Freiheitsgrade gebunden.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Unterstützungskinematik eine Basis und mindestens zwei Glieder umfasst, wobei die Krafterzeugungsanordnung an der Basis angeordnet ist und die Unterstützungskinematik die Gegenkraft zu dem mindestens einen Stützabschnitt leitet. Die Glieder sind untereinander und mit der Basis über Gelenke, insbesondere Drehgelenke gekoppelt.
Wie erwähnt, sind an dem Stützabschnitt in vorteilhaften Ausgestaltungen alle drei translatorischen Freiheitsgrade gebunden. Zu diesem Zweck ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Glieder der Unterstützungskinematik um einen gemeinsamen, virtuellen Drehpunkt verschwenkbar angeordnet sind, wobei der Stützabschnitt in dem virtuellen Drehpunkt liegt. Auf die Unterstützungskinematik aufgebrachte Gewichtskräfte führen daher nicht zu einer Verlagerung der Unterstützungskinematik, sondern werden durch die aufgebrachte Gegenkraft kompensiert.
Alternativ ist vorgesehen, dass mindestens einem Gelenk der Unterstützungskinematik ein zusätzlicher Antrieb zugeordnet ist. Mittels des mindestens einen zusätzlichen Antriebs wird die Unterstützungskinematik in einer gewünschten Position gehalten, wobei die Gegenkraft für eine Kompensation der Gewichtskraft mittels der Krafterzeugungsanordnung aufgebracht wird.
An der Basis sind in vorteilhaften Ausgestaltungen alle drei rotatorischen Freiheitsgrade gebunden. Mittels der Krafterzeugungsanordnung werden daher keine Rotationsbewegungen in die Unterstützungskinematik eingebracht.
In vorteilhaften Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass die Unterstützungskinematik entsprechend einer Kinematik des Manipulators gestaltet ist und im oder an der Kinematik des Manipulators angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die Unterstützungskinematik den Manipulator nicht in seiner Bewegung hindert und/oder einen Arbeitsraum des Manipulators nicht versperrt. Für eine Bewegung der Unterstützungskinematik mit dem Manipulator weist die Unterstützungskinematik in einer Ausgestaltung Mitnahmeelemente zur Kopplung mit dem Manipulator auf. Die Unterstützungskinematik weist vorzugsweise ein geringes Eigengewicht und Gelenke mit geringer Reibung auf, sodass für eine Bewegung der Unterstützungskinematik keine oder nur geringe zusätzliche Kräfte notwendig sind.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst durch ein System umfassend einen Manipulator und eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
In einer Ausgestaltung umfasst der Manipulator zwei Glieder, welche um zwei in einem Winkel von ca. 0° bis ca. 90° zueinander angeordnete Achsen, insbesondere zwei in einem Winkel von ca. 5° bis ca. 90° zueinander angeordnete, einander in einem gemeinsamen virtuellen Drehpunkt schneidenden Achsen, verschwenkbar sind. Der Manipulator weist eine hohe Positioniergenauigkeit auf und ist beispielsweise als Goniometer einsetzbar. Mittels der Unterstützungskinematik wird eine aus der Schwerebeschleunigung resultierende Verlagerung des Manipulators, insbesondere an dessen Wirkabschnitt verhindert oder zumindest weiter reduziert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Kompensation der Gewichtskraft an einem Manipulator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein System umfassend eine Vorrichtung und einen Manipulator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 3 das System gemäß Fig. 2 in einer Seitenansicht;
Fig. 4 das System gemäß Fig. 2 in einer geschnittenen Seitenansicht;
Fig. 5 die Vorrichtung für das System gemäß Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 6 ein Detail VI gemäß Fig. 5; Fig. 7 ein System umfassend eine Vorrichtung und einen Manipulator gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer geschnittenen Seitenansicht ähnlich Fig. 4;
Fig. 8 die Vorrichtung für das System gemäß Fig. 7 in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 9 ein System umfassend eine Vorrichtung und einen Manipulator gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in einer geschnittenen Seitenansicht ähnlich Fig. 4;
Fig. 10 die Vorrichtung für das System gemäß Fig. 9 in einer perspektivischen Darstellung und
Fig. 1 1 ein Detail XI gemäß Fig. 10.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Kompensation der Gewichtskraft an einem Manipulator 2, wobei von dem Manipulator nur ein Glied 20 dargestellt ist. Auf das Glied 20 wirkt dabei die Gewichtskraft G.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Krafterzeugungsanordnung 10, mittels der eine variable Gegenkraft F erzeugbar ist. Die dargestellte Krafterzeugungsanordnung 10 ist als Federanordnung gestaltet. Die Vorrichtung 1 umfasst weiter eine Unterstützungskinematik 12, wobei der Manipulator 2 an dem Glied 20 mittels der Unterstützungskinematik 12 in einem Kraftangriffsbereich 22 mit der erzeugten Gegenkraft F beaufschlagbar ist. Ein Betrag der Gegenkraft F entspricht zumindest im Wesentlichen einem Betrag der aufgrund der Schwerebeschleunigung an dem Kraftangriffsbereich wirkenden Gewichtskraft G, die Gegenkraft F ist jedoch entgegengerichtet zur Schwerebeschleunigung gerichtet. Ein Kraftangriffsbereich 22 ist dabei derart gewählt, dass die aufgebrachte Gegenkraft F durch den Schwerpunkt des Glieds 20 oder der relevanten Massen des Manipulators 2 in seiner aktuellen Stellung verläuft, sodass keine Momente eingetragen werden. Sofern ein Kraftangriffsbereich 22 nicht derart wählbar ist, dass die auf den Manipulator 2 wirkende Gegenkraft durch den Schwerpunkt verläuft, ist in einer alternative Ausgestaltung eine momentenfreie Abstützung mittels einer Unterstützungskinematik vorgesehen, welche den Manipulator 2 in zwei Kraftangriffsbereichen kontaktiert. Die Unterstützungskinematik 12 weist einen Stützabschnitt 120 auf, mit welchem sie den Manipulator in einem Kraftangriffsbereich 22 kontaktiert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zylindrischer Stützabschnitt 120 vorgesehen. Vorzugsweise ist ein kugelförmiger Stützabschnitt 120 für eine punktförmige Kontaktierung vorgesehen.
Die Unterstützungskinematik 12 umfasst eine Basis 122, an welcher die Krafterzeugungsanordnung angeordnet ist. Die Basis 122 ist mittels einer Lageranordnung 14 derart gelagert, dass alle drei rotatorischen Freiheitsgrade gesperrt sind. Zudem sind die translatorischen Freiheitsgrade in der Ebene senkrecht zur Schwerebeschleunigung (z- und x- Richtung in der Darstellung) gesperrt. Eine Bewegung parallel zur Schwerebeschleunigung (y- Richtung in der Darstellung) ist dagegen für eine Krafteinleitung möglich. Die Fig. 2 bis 4 zeigen ein System 3 umfassend eine Vorrichtung 1 und einen Manipulator 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung, einer Seitenansicht bzw. einer geschnittenen Seitenansicht. Fig. 5 zeigt die Vorrichtung 1 für das System 3 und Fig. 6 zeigt ein Detail VI gemäß Fig. 5.
Der in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Manipulator 2 umfasst zwei Glieder 24, 26, welche um zwei in einem Winkel von ca. 60° zueinander angeordnete, einander in einem gemeinsamen virtuellen Drehpunkt P (vgl. Fig. 3) schneidenden Achsen A1 , A2 verschwenkbar sind. In anderen Ausgestaltungen sind die Achsen mit einem anderen Winkel zueinander angeordnet. Das erste Glied 24 ist L-förmig mit zwei Schenkeln 240, 241 . Der erste Schenkel 240 ist mit einem nicht dargestellten Fundament gekoppelt, sodass das Glied 24 um eine horizontale Achse A1 (x-Achse in Fig. 2) verschwenkbar ist. Das zweite Glied 26 ist an dem zweiten Schenkel 241 angeordnet und um die Achse A2 verschwenkbar. Der Manipulator 2 ist dabei derart ausgelegt, dass ein Verschwenken um die Achsen A1 und A2 jeweils um 360° möglich ist. Das zweite Glied 26 ist V-förmig gestaltet. An dem zweiten Glied 26 ist eine zu positionierende Last 28 angeordnet. Die Last 28 ist in dem virtuellen Drehpunkt P angeordnet und verändert bei einer Bewegung des Manipulators 2 ihre Orientierung im Raum, nicht jedoch ihre Lage.
Je nach Anwendung werden sehr hohe Positioniergenauigkeiten gefordert. So sind Anwendungen bekannt, bei welchen eine maximale Abweichung der Lage bei einer aufgenommenen Last von 5 kg 50 μηη beträgt. Aufgrund einer Masse der Glieder 24, 26 und der Last 28 kann es zu Verformungen und damit Positionierungenauigkeiten kommen.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung 1 mit einer Krafterzeugungsanordnung 10 und einer Unterstützungskinematik 12 vorgesehen, welche den Manipulator 2 mit einer Gegenkraft beaufschlagt. Die dargestellte Unterstützungskinematik 12 ist entsprechend dem Manipulator 2 aufgebaut und umfasst ebenfalls zwei Glieder 124, 126. Die Unterstützungskinematik 12 ist in dem Manipulator 2 angeordnet und wird mit diesem bewegt. Das zweite Glied 126 ist an seinem freien Ende mit der Last 28 mittels eines nicht dargestellten Stützabschnitts gekoppelt, sodass die Last 28 in dem virtuellen Drehpunkt P mittels der Gegenkraft in einem Kraftangriffsbereich 22 beaufschlagt wird. An dem in dem virtuellen Drehpunkt P angeordneten Stützabschnitt sind alle drei translatorischen Freiheitsgrade gebunden.
Wie am besten in Fig. 5 erkennbar ist, umfasst die Unterstützungskinematik 12 außer den zwei Gliedern 124, 126 noch eine Basis 128. Die Krafterzeugungsanordnung 10 ist an der Basis 128 angeordnet ist. Die Unterstützungskinematik 12 leitet die Gegenkraft zu dem Stützabschnitt. Die Basis 128 ist mittels einer Lageranordnung 14 an dem nicht dargestellten Fundament des Manipulators 2 abgestützt. An der Unterstützungskinematik 12 sind weiter vorzugsweise nicht dargestellte Mitnehmer oder dergleichen vorgesehen, sodass die Bewegung des Manipulators auf die Unterstützungskinematik übertragbar ist. Die Gelenke der Unterstützungskinematik 12 sind vorzugsweise reibungsarm, sodass nur geringe Reibkräfte der Bewegung entgegengesetzt werden.
Die Lageranordnung 14 ist im Detail in Fig. 6 dargestellt. Die dargestellte Lageranordnung 14 ist als sogenannte Delta- Kinematik gestaltet. Als Delta-Kinematik wird eine Parallelkinematik umfassend einen Arbeitskörper und einen Grundkörper bezeichnet, bei welchen der Arbeitskörper relativ zu dem Grundkörper in allen drei translatorischen Freiheitsgraden bewegbar ist, während alle drei rotatorischen Freiheitsgrade gesperrt sind. Durch die Lageranordnung 14 sind folglich Bewegungen der Basis 128 in allen drei rotatorischen Freiheitsgraden gesperrt. Eine Bewegung der Basis 128 in z- und x-Richtung ist zulässig, um Verspannungen zu vermeiden. Die Bewegung in y-Richtung dient der Krafteinleitung.
Fig. 7 zeigt ein System 3 umfassend eine Vorrichtung 1 und einen Manipulator 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer geschnittenen Seitenansicht ähnlich Fig. 4. Fig. 8 zeigt die Vorrichtung 1 für das System 3 gemäß Fig. 7 in einer perspektivischen Darstellung. Das System 3 ist ähnlich dem System 3 gemäß den Fig. 2 bis 6 und für gleiche oder ähnliche Bauteile werden einheitliche Bezugszeichen verwendet.
Der Manipulator 2 ist baugleich zu dem Manipulator gemäß den Fig. 2 bis 4. Die Vorrichtung 1 ist jedoch derart gestaltet, dass die Gegenkraft nicht im Bereich des virtuellen Drehpunkts, sondern an einem Schenkel 260 des zweiten Glieds 26 aufgebracht wird. Die Unterstützungskinematik 12 umfasst einen Stützabschnitt 129, mittels welchem sie den zweiten Schenkel 260 an dem Kraftangriffsbereich 22 kontaktiert. Der Stützabschnitt 129 ist als Kugelgelenk gestaltet.
Um an dem Stützabschnitt 129, welcher an einer entsprechend Bauraumanforderungen oder dergleichen geeignet gewählten Stelle angeordnet ist, alle drei translatorischen Freiheitsgrade zu binden, sind an den zwei Gelenken jeweils ein Antrieb 16 vorgesehen, welche als Bremsen wirken und Momente aufbringen, die einer Verlagerung des Stützabschnitts 129 entgegen stehen. Die Antriebe 16 dienen jedoch nicht einer Positionierung der Glieder 24, 26 des Manipulators 2.
In den Fig. 7 und 8 ist als Stützabschnitt 129 ein reelles Kugelgelenk vorgesehen. Es sind jedoch auch Ausgestaltungen denkbar, bei welchen das reelle Kugelgelenk durch ein virtuelles Kugelgelenk ersetzt ist. Fig. 9 zeigt ein System 3 umfassend eine Vorrichtung 1 und einen Manipulator 2 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in einer geschnittenen Seitenansicht ähnlich Fig. 4. Fig. 10 zeigt die Vorrichtung 1 für das System 3 gemäß Fig. 9 in einer perspektivischen Darstellung und Fig. 1 1 zeigt ein Detail XI gemäß Fig. 10. Das System 3 ist ähnlich dem System 3 gemäß den Fig. 2 bis 6 und für gleiche oder ähnliche Bauteile werden einheitliche Bezugszeichen verwendet. Insbesondere ist der Manipulator 2 baugleich zu dem Manipulator gemäß den Fig. 2 bis 4.
Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausgestaltungen erfolgt eine Kraftübertragung an einem virtuellen Kugelgelenk, dessen Mittelpunkt einen Momentanpol M für die Kraftbeaufschlagung des Manipulators 2 bildet. Das virtuelle Kugelgelenk umfasst drei Stäbe 127, wobei Achsen der Stäbe 127 sich in dem Momentanpol M schneiden. Die Lage des Momentanpol M ist in vorteilhaften Ausgestaltungen derart gewählt, dass die Lage dem Schwerpunkt des Manipulators 2 entspricht. Um Veränderungen der Lage des Schwerpunkts bei einer Bewegung des Manipulators 2 zu berücksichtigen, sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Stäbe 127 mittels Kugelgelenken an dem Glied 126 der Unterstützungskinematik 12 angeordnet. In anderen Ausgestaltungen sind die Stäbe 127 einteilig oder monolithisch mit einem Glied verbunden, wobei - je nach Gestaltung des Manipulators 2 und der Unterstützungskinematik - die Abweichungen zwischen der Lage des Momentanpols M und der Lage des Schwerpunkts vernachlässigbar klein sind. Die freien Enden der Stäbe 127 kontaktieren den Manipulator 2 und dienen als reale Stützabschnitte 129. Um an dem Momentanpol M analog zu den Fig. 7 und 8 alle drei translatorischen Freiheitsgrade zu binden, sind in einer Ausgestaltung an den zwei Gelenken jeweils ein Antrieb 16 vorgesehen, welche als Bremsen wirken und Momente aufbringen, die einer Verlagerung des Momentanpols M entgegen stehen.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Kompensation der Gewichtskraft (G) an einem Manipulator (2), wobei eine variable Gegenkraft (F) erzeugt wird, wobei die erzeugte Gegenkraft (F) auf den Manipulator (2) mittels einer den Manipulator (2) in mindestens einem Kraftangriffsbereich (22) kontaktierenden Unterstützungskinematik (12) aufgebracht wird, und wobei ein Betrag der Gegenkraft (G) zumindest im Wesentlichen einem Betrag der aufgrund der Schwerebeschleunigung an dem Kraftangriffsbereich wirkenden Gewichtskraft (G) entspricht und die Gegenkraft (F) zumindest im Wesentlichem parallel und entgegengerichtet zur Schwerebeschleunigung gerichtet ist.
2. Vorrichtung zur Kompensation der Gewichtskraft (G) an einem Manipulator (2) umfassend eine Krafterzeugungsanordnung (10), mittels der eine variable Gegenkraft (F) erzeugbar ist, und eine Unterstützungskinematik (12), wobei der Manipulator (2) mittels der Unterstützungskinematik (12) in mindestens einem Kraftangriffsbereich (22) mit der erzeugten Gegenkraft (F) beaufschlagbar ist und wobei ein Betrag der Gegenkraft (F) zumindest im Wesentlichen einem Betrag der aufgrund der Schwerebeschleunigung an dem Kraftangriffsbereich (22) wirkenden Gewichtskraft (G) entspricht und die Gegenkraft (F) zumindest im Wesentlichem parallel und entgegengerichtet zur Schwerebeschleunigung gerichtet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungskinematik (12) mindestens einen Stützabschnitt (120, 129) aufweist, mittels welchem die Unterstützungskinematik (12) den Manipulator in dem mindestens einen Kraftangriffsbereich (22) kontaktiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stützabschnitt (129) alle drei translatorischen Freiheitsgrade gebunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungskinematik (12) eine Basis (128) und mindestens zwei Glieder (124, 126) umfasst, wobei die Krafterzeugungsanordnung an der Basis angeordnet ist und die Unterstützungskinematik die Gegenkraft zu dem mindestens einen Stützabschnitt (129) leitet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glieder um einen gemeinsamen, virtuellen Drehpunkt (P) verschwenkbar angeordnet sind, wobei der Stützabschnitt in dem virtuellen Drehpunkt (P) liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Gelenk der Unterstützungskinematik (12) ein zusätzlicher Antrieb (16) zugeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Basis (128) alle drei rotatorischen Freiheitsgrade gebunden sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungskinematik (12) entsprechend einer Kinematik des Manipulators (2) gestaltet ist und im oder an der Kinematik des Manipulators (2) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungskinematik (12) Mitnahmeelemente zur Kopplung mit dem Manipulator umfasst.
1 1 . System umfassend einen Manipulator (2) und eine Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 1 1.
12. System nach Anspruch 1 1 , wobei der Manipulator (2) zwei Glieder umfasst, welche um zwei in einem Winkel von ca. 0° bis ca. 90° zueinander angeordnete Achsen (A1 A2), insbesondere zwei in einem Winkel von ca. 5° bis ca. 90° zueinander angeordnete, einander in einem gemeinsamen virtuellen Drehpunkt (P) schneidenden Achsen (A1 A2), verschwenkbar sind.
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