SE420687B - Sett och anordning vid arbetsarmar - Google Patents

Description

8001740-3 2 den verksamma änden eller handen hos arbetsarmen. Denna lägesbestämning blir ' således helt oberoende av de glapp och materialutböjningar som kan förekomma l den belastade arbetsarmen.

Sättet enligt uppfinningen kan med fördel användas vid alla slags belastade arbetsarmar, där det är nödvändigt att med stor noggrannhet bestämma lägetaför arbetsarmens verksamma ändparti. Det är emellertid särskilt lämpligt vid sådana arbetsarmar som robotar eller manipulatorer.

Vid en robot eller manipulator anordnas den obelastade armen, så att arbetsarmen väsentligen följer den obelastade armens rörelser eller vice versa, varvid armarna har separata drivsystem. Den obelastade armen kan eventuellt helt eller delvis anordnas utanför arbetsarmen, men företrädesvis är den anordnad inuti densamma och har lämpligtvis motsvarande antal leder eller vridningsställen som arbetsarmen eller den belastade armen.

Den inbördes lägesbestämningen mellan den belastade och obelastade armen kan ske på olika sätt. Lämpligtvis sker den genom ändamålsenliga organ anordnade i respektive fria ändpartier i av armarna, som medger noggrann bestämning av avståndet mellan bestämda delar av dessa ändpartier i erforderliga i riktningar. Sådana anordningar eller system för att känna av små lägesföränd- ringar mellan relativt varandra rörliga delar är i och för sig kända och kan t.ex. vara baserade på induktiva mätgivare eller på lägesförändringar av fältplattor (hallelement) i ett magnetfält. En 3-axlig heröringsfri balanseringsanordning enligt den sistnämnda principen beskrivs närmare längre fram. Man kan även' använda sig av optiska mätgivare.

Lägesavkänningen kan anordnas så att antingen den belastade armen eller den obelastade armen är mätarm, dvs. att den belastade armen avkänner sitt läge i förhållande till den obelastade armen eller omvänt. En erhâllen differenssignal kan sedan utnyttjas för att förflytta den ena av de båda armarna, så att ett förutbestämt balanseringsläge mellan armarna åter inställs. Genom att hela tiden relatera den belastade armens läge till läget för den obelastade armen får man, som ovan nämnts, en lägesbestämning av arbetsarmen eller den belastade armen som inte påverkas av materialutböjning eller glapp.

Anpassningen av de båda armsystemens rörelser i förhållande till varandra kan ske med kända styr- eller reglerkretsar för de båda armsystemens drivorgan, som exempelvis kan vara elektriska eller hydrauliska. Såväl den belastade som den obelastade armen kan fungera som drivarm, dvs. den arm som direkt påverkas att utföra de önskade rörelserna, och som - i fallet med en robotarm - programenheten är ansluten till. Vid en robot eller manipulator enligt 8001740-3 3 uppfinningen har man således tvâ separata styr- eller servosystem, som lämpligt- vis stabiliseras i förhållande till varandra på i och för sig känt sätt. h Uppfinningen beskrivs i det följande med avseende på en speciell utföringsform med hänvisning till de bifogade ritningarna, där Fig. l är en schematisk sidovy av en robotarm enligt uppfinningen, Fig. 2 är en schematisk perspektiv/vy av själva lägesbestämningsdelen i den i Fig. 1 visade anordningen, Fig. 3 är ett principschema för ett servosystem för slavenheten i den i Fig. 1 visade anordningen, och Fig. li är ett principschema för ett servosystem för masterenheten i den i Pig. l visade anordningen.

Den i Pig. 1 visade roboten, som är avsedd att fästas vid ett golv, en vägg eller liknande, innefattar en yttre robotarm l och en i denna väsentligen helt fristående inre robotarm eller masterrobot 2. Den yttre robotarmen l utgör robotens 'belastningsbara arbetsarm och är därför dimensionerad med hänsyn härtill, medan den inre robotarmen 2 endast är avsedd som "mätarm", som inte belastas och därigenom kan ha avsevärt klenare dimensioner. Den yttre robotarmen l är sammansatt av tre armdelar, nämligen en basdel 3, en mellandel l; och en ytterdel 5, vid vars ände en eventuellt i flera frihetsgrader vridbar handled 6 är anordnad. Handleden 6 är försedd med lämpliga organ för de arbetsmoment roboten skall utföra, t.ex. ett gripdon. Basdelen 3 är vridbart fäst vid en bottenplatta 7, så att den kan vridas kring sin längdaxel, dvs. i plattans 7 plan. Mellandelen l; är vid sin ena ände vridbart anordnad vid basdelen 3 för svängning kring en vridningsaxel A. l den motsatta änden är mellandelen 4 på samma sätt vridbart förbunden med den handleden 6 motstående änden av ytterdelen 5 för att medge vridning kring en vridningsaxel B. Den i Figuren visade robotens handled 6 kan således fås att inta en önskad position genom vridning av armdelarna 4 och 5 kring axlarna A resp. B och genom vridning av robotarmen ' kring sin "längdaxel" via basdelen 3. De önskade vridningsrörelserna ästadkoms med hjälp av lämpliga, t.ex hydrauliska eller elektriska, manöverorgan anordnade på lämpligt sätt vid de aktuella vridningsiederna. Manöverorganen styrs av ett första servosystem, som kommer att beskrivas närmare nedan.

Den inre obelastade robotarmen eller masterroboten 2 (som av tydlig- hetsskäl är streckad i Figuren) är på liknande sätt som ytterroboten l idet visade fallet sammansatt av tre vridbart förbundna armelement, nämligen en basdel 8, en mellandel 9 och en ytterdel 10. Basdelen 8 är på samma sätt som basdelen 3 hos den yttre roboten 1 vridbart anordnad kring sin längdaxel i ett fästparti 7a (eventuellt en del av fästplattan 7), som i sin tur fästes i golvet, väggen etc. 8001740-3 14 företrädesvis helt oberoende av infästningen av ytterroboten l. Basdelen 8 är vid sin andra ände vridbart förbunden med mellandelen 9 via en vridningsled C, och mellandeien 9 är i den motstâende änden vridbart förbunden med ytterdelen 10 genom en vridningsled D. Ytterrobotens vridningsaxlar A och B går eventuellt genom centrumhål i lederna lla resp. llb. Den inre robotarmen 2 är försedd med lämpliga drivorgan, t.ex. hydrauliska eller elektriska sådana, för att åstadkomma den önskade vridningen vid de ovannämnda vridningslederna. Vid vridningslederna är vidare givare lla, llb och llc, t.ex. potentiometrar, för avkänriing av det relativa vinkelläget mellan armdelarna anordnade. Styrningen av nämnda drivorgan sker med hjälp av ett andra servosystem, som kommer att beskrivas närmare längre fram. Den fria änden 10a av den yttre armdelen l0 hos masterroboten 2 är på lämpligt sätt omgiven av tre par givare l2a-l2c anordnade på insidan av ytterrobotens armdel 5. Ändpartiet l0a tillsammans med givarna l2a-c bildar i det visade fallet en berörlngsfrl treaxlig balanseringsanordning.

Således är glvarparet l2a är anordnat att känna av och balansera vridning kring den ovannämnda leden D, *medan givarparen l2b och l2c pâ motsvarande sätt känner av och balanserar vridning kring leden A resp. kring basdelens 8 längdaxel.

' En utföringsform av den ovannämnda balanseringsanordningen visas i Fig. 2. Denna innefattar ett ankare l3 av lâgremanensjärn, som är anordnat att fästas i den fria änden av innerrobotens 2 armdel 10, text via urborrningar 14 i ett främre fástparti 15 hos ankaret 13. Kring det egentliga ankarpartiet 16 är de ovannämnda givarparen l2a-12c anordnade i form av sex stycken hästskoformade permanent- magneter, vid vars ena skänkelände är anordnade fältplattor l7a-c av hallele- menttyp, dvs. tunna plattor baserade på halvledarmaterial, vars utspänning i ett magnetiskt fält är beroende av flödestätheten. Hästskomagneterna l2a-l2c är, som ovan nämnts, fästa på insidan av ytterrobotens 1 ändparti och anordnade med något avstånd, t.ex. upp till någon centimeter, till ankarpartiet 16. Av skäl som kommer att framgå nedan bör innerrobotens 2 längd avpassas, så att ytterroboten l inte kan rätas ut helt.

Den principiella uppbyggnaden av det ovannämnda servosystemet för den yttre roboten eller slavroboten 1 framgår av Fig. 3, som visar ett delservosystem för ett av givarparen l2a-c motsvarande rörelse av ytterroboten 1 i någon av avkänningsriktningarna. De båda andra delservosystemen för förflyttning av robotarmen l i de övriga avkänningsriktningarna är givetvis uppbyggda på identiskt sätt.

Det visade delservosystemet innefattar en i och för sig konventionell mätbrygga 18 med två fältplattor (hallelement) l7 anslutna till en konstantström- 8001740-5 5 källa l9. Vardera fältplattan 17 är ansluten till var sin ingång hos en OP- förstärkare 20. Den senares utgång är kopplad till ett andra OP-förstärkarsteg 21, som i sin tur är anslutet till ett servostyrorgan 22 för påverkan av drivorganet för vridning vid den aktuella vridningsleden. Om t.ex. drivorganet ifråga är en hydraulmotor utgörs servostyrorganet 22 av en servoventil. Vidare är en hastighets- givare 24 (t.ex. en tachometer), som känner av armdelarnas inbördes rörelsehastig- het, kopplad till ingången hos förstärkaren 22 för införande av en negativ kompensations- eller stabiliseringssignal. Man inser av Fig. l att Lex. givarparet l2b pâverkas olika vid vridning av leden C beroende på vridningsläget för leden D.

För att signalen från mätbryggan 18 skall vara i huvudsak oberoende av arbetsarmens utsträckningsgrad tillförs en kompensationssignal, som reglerar förstärkarens 2l förstärkning pâ lämpligt sätt, från en central programenhet 25 för roboten via en digital/analog-omvandlare 26a.

Ett motsvarande principschema för masterrobotens 2 servosystem framgår av Fig. 4. Den ovannämnda centrala programenheten 25, som innehåller det önskade styrprogrammet för masterroboten 2, är via en digital/analog-omvandlare 26b kopplad till en servoförstärkare 27. Denna är i sin tur ansluten till servostyrorgan 28, som t.ex. är servoventiler när drivorganen för att åstadkomma önskad vridning vid masterrobotens vridningsleder utgörs av hydraulmotorer. Den hydraulik och mekanik som pâverkas av servoventilen 28 representeras av ett block 29. De i samband med Fig. l nämnda mätgivarna vid de tre vridningslederna (lla, llb, ilc) representeras av en induktosynmätskala 30. Denna är för avkänning ansluten till en fas/puls-enhet 3! via en förstärkare 32 och återkopplad till faspulsenheten via en förstärkare 33 och ett bandpassfilter 34. Fas/pulsomvandlaren 31 är vidare kopplad till en Upp/Ner-räknare 35, som i sin tur är ansluten till den centrala programenheten 25 för avläsning Avläsningen sker periodiskt med hjälp av en systemklocka 36.

Den i Figurerna visade industriroboten fungerar på följande sätt. Den helt obelastade masterroboten 2 styrs, som ovan nämnts, på ett förutbestämt sätt genom den centrala programenheten 25 (Fig. li). De digitala signalerna från programenheten 25 omvandlas i D/A-omvandlaren 26b, förstärks i servoförstärka- ren 27 och förs tiil servoventilen 28, som ger den önskade påverkan av hydraulmotorerna vid den eller de aktuella vridningslederna (C, D eller "rotations- leden"). Vinkelläget hos de vid masterrobotens 2 vridningsleder anordnade mät~ givarna lla, llb, llc, anges av induktosynmätskalan 30. Denna avkänns av fas/puls- enheten 31 genom matning med en referenssignal (t.ex. 1-5 kHz), varvid vinkelvärdet på induktosynmätskalan 30 bestämmer återföringssignalens fas.

Fasvärdet omvandlas till pulser som räknas i räknaren 35. Programenheten 25 läser 8001740-3 6 periodiskt av räknaren 35 på signal från klockan 36 (t.ex. 100 Hz), bearbetar det avlästa värdet och matar ut erforderliga styrsignaler till servoförstärkaren 27 och D/A-omvandlaren 26.

Varje förändring av det inbördes läget mellan ändpartierna av slavrobotens ,l ytterarm och masterrobotens 2 ytterarm 10 registreras av en eller flera av mätbryggorna 18 (Fig. 3) genom att ankaret 16 förskjuts i förhållande till hästskomagneterna l2 (Fig. 2), varvid magnetfältet för de aktuella fältplattorna l7 förändras. Den uppkomna differenssignalen förstärks i OP-förstärkaren 20 och leds till en ytterligare förstärkare 2l tillsammans med stabiliseringssignalen från hastighetsgivaren 24. Som ovan nämnts styrs förstärkarens 2l förstärkning i beroende av arbetsarmens utsträckningsgrad genom en kompensationssignal från programenheten 25 via D/A-omvandlaren 26a. Utsignalen från förstärkaren 21 går sedan till servoventilen 22. Den senare påverkar då den eller de aktuella hydraulmotorerna vid slavrobotens l vrídningsleder, så att balans åter uppstår i mätbryggan 18. Den från mätbryggan 18 erhållna differenssignalen, som blir i huvudsak proportionell mot masterrobotens 2 förflyttning, kan bearbetas med en separat mikroprocessorenhet för att man skall uppnå största möjliga stabilitet mellan de båda servosystemen. Varje förflyttning av den inre robotarmen eller master-roboten 2 ger således en motsvarande förflyttning av den yttre roboten eller arbetsroboten l. Eftersom masterrobotens l fria ände l0a (i det visade fallet ankarpartiet 16) i balanseringsläget alltid intar ett förutbestämt, noggrant definierat jâmviktsläge i arbetsarmens 1 ändparti, blir även läget för arbetsarmens l fria ände eller handled 6 bestämt med stor noggrannhet, och helt oberoende av glapp och materialutböjningar eller deformationer i arbetsarmen. Detta är som ovan nämnts av stor betydelse där det är fråga om större belastningar, t.ex. upp till l ton eller mer, och stor precisision krävs, såsom direkta bearbetningsoperationer.

Med roboten enligt uppfinningen är det t.ex. möjligt att trots dessa belastningar uppnå en precision hos handleden 6 på 0,05 mm eller bättre vid en utsträckt armlängd på ca 4 m.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad till den ovan speciellt 'beskrivna och i ritningarna visade utföringsformen, utan många modifikationer och ändringar kan göras utan att man avviker från uppfinningens grundtanke. Exempelvis kan anordningarna för den inbördes lägesbestämningen mellan den belastade och den obelastade armen utformas på olika sätt med användning av olika typer av givare.

Vidare kan styrsystemen för ytter- och innerroboten anordnas på andra sätt.

Givetvis kan även antalet frihetsgrader för arbetsarmen och den obelastade armen liksom den konstruktiva utformningen av desamma varieras.

Claims (10)

8001740-3 PATENTKRAV

1. l. Sätt att bestämma läget för en belastningsbar arbetsarm, såsom en robot- eller manipulatorarm, k ä n n e t e c k n a t av att man avkänner arbetsarmens (l) läge i förhållande till en relativt arbetsarmens rörliga delar fristående, obelastad arm (2) vars läge noggrant kan bestämmas och som är anordnad i anslutning till arbetsarmen (l).

2. Sätt enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t av att den ena av den obelastade armen (2) och arbetsarmen (1) får styra den andras rörelse, så att de båda armarna (l, 2) väsentligen åtföljs vid förflyttning av den styrande armen.

3. ~ Sätt enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att positionsbestämningen relateras till ett förutbestämt jämviktsläge mellan arbetsarmen (l) och den obelastade armen (2), och att en erhållen avvikelse utnyttjas för att förflytta arbetsarmen, så att jämviktsläget återställs.

4. Sätt enligt patentkravet 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a t av att den obelastade armen (2) helt eller delvis är anordnad inuti arbetsarmen (l). i

5. Sätt enligt något av patentkraven l - 14, k ä n n e t e c k n a t av att man känner av det inbördes läget mellan arbetsarmen (l) och den obelastade armen (2) vid eller i närheten av armarnas fria ändpairtler.

6. Robot- eller manipulatoranordning, innefattande en rörlig, belastningsbar arbetsarm (1) med åtminstone en vridled (A, B), k ä n n e t e c k n a d av att den för bestämning av arbetsarmens (1) läge innefattar en relativt arbetsarmens (1) rörliga delar fristående, obelastad arm (2) med väsentligen motsvarande rörlighet och försedd med organ (lla-c) för noggrann lägesbestämning anordnad i anslutning till arbetsarmen (l), varvid den obelastade armen (2) vid eller i närheten av sitt fria ändparti (l0a) innefattar organ (13) anordnade att genom beröringsfri samverkan med organ (l2a-c) i en angränsande del av arbetsarmen (l) medge bestämning av det inbördes läget mellan den obelastade armens (2) fria ändparti och arbetsarmen (l), och varvid den ena av arbetsarmen (I) och den obelastade armen (2) är anordnad att styra den a, 8001740-3 8 andras rörelse, så att de båda armarna väsentligen åtföljs vid förflyttning av den styrande armen.

7. Anordning enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n a d av att den inbördes styrningen av arbetsarmens (1) och den obelastade armens (2) rörelser är anordnad, så att ett förutbestämt jämviktsläge mellan den obelastade armens (2) fria ändparti och angränsande delar av armen (1) eftersträvas.

8. Anordning enligt patentkravet 7, k ä n n e t e c k n a d av att den obelastade armen (2) helt eller delvis är anordnad inuti arbetsarmen (1).

9. Anordning enligt något av patentkraven 6 - 8, k ä n n e t e c k n a d av att den obelastade armen (2) är anordnad att styra arbetsarmens (i) rörelse.

10. Anordning enligt något av patentkraven 6 - 9, k ä n n e te c k n a d av att organen (IZa-c; 13) för bestämning av det inbördes läget mellan arbetsarmen (l) och den obelastade armen (2) innefattar medel för statisk eller dynamisk mätning av förändringar i ett genererat magnetfält.