SE518982C2 - Reglering av ett vinkelläge till en robotarm - Google Patents

Description

70 75 20 25 30 518 982 och med på respektive platta bestämd delning mellan mottagar- elektroder och sändarelektroder, varvid plattorna är koaxi- ellt anordnade och vridbara i förhållande till varandra och plattorna är vidare åtskilda av en tunn luftspalt möjliggö- rande en kapacitiv eller induktiv koppling mellan elektrod- systemen på mottagarplattan och sändarplattan, där sändar- elektroderna vardera matas med en växelspänning med olika fas för intilliggande elektroder, varvid antalet matningsfaser, Q, är fler än två, och sändarelektroddelningen = nmttagar- elektroddelningen/GL och att statorns sändarelektroder geo- metriskt är anordnade så att fel i deras geometri i förhål- lande till geometrin för mottagarelektroderna alstrar lika stora men motriktade felsignaler i rotorns mottagarelektro- der.

En vinkelgivare av det ovan nämnda slaget är föremål för en samtidigt härmed inlämnad separat patentansökan, och en be- skrivning av dagens vinkelgivare och de problem de är för- knippade med återfinnes i denna separata ansökan, liksom även en närmare beskrivning av teorin bakom dessa vinkelgivare.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hjälp av ett icke begränsande utföringsexempel, åskådliggjort på de bifo- gade ritningsfigurerna, där Fig. 1 visar en principiell skiss av en robotarm med olika inställningslägen, Fig. 2 visar ett exempel på en komplett rotorskiva för en vinkelgivare i en robotarm enligt uppfinningen, Fig. 3 visar en förstorad sek- tion av Fig. 2, Fig. 4 visar ett exempel på komplett stator- skiva enligt uppfinningen men utan anordningar för glappmät- ning, Fig. 5 visar en förstorad sektion av Fig. 4, Fig. 6 vi- sar samverkan mellan stator och rotorelektroder, Fig. 7 visar ett exempel på hur signaler i de båda differentiella motta- garelektrodfälten 5 och 5' 8 visar skulle kunna se ut, Fig.

K:\Patent\(l00097se\Slutiöreläggande.i|1l.doc, 2002-09-24 70 75 20 25 30 518 982 en detalj vid snedställning av robotarmen i Fig. 1, Fig. 9 visar radiell förskjutning vid robotarmen enligt Fig. l, Fig. 10 visar tilläggselektroder för att kontrollera radiella avvikelser (kast) från vridcentrum i robotarmens leder, Fig. 10a visar elektroderna enligt Fig. 10 i sidovy, Fig. 11 visar tilläggselektroder för att kontrollera vinkelavvikelser alkast, (axi- wobbling) relativt vridcentrum i_ robotarmens leder, Fig. 12 visar ett bättre arrangemang av elektroderna i Fig. 10 och Fig. ll.

I Fig. 1 visas således ett exempel på en robotarm för exem- pelvis en industrirobot. I robotarmens l vridleder la och lb är därvid vinkelgivare inbyggda. Detta ger fördelen att vink- larna direktavläses och ingen förvanskning av värdet, t.ex. via växellådors periodiska, fel äger rum. Robotarmens yttre ände 2 kan vara försedd med t.ex. en robotgripklo. I denna beskrivning har vi valt att kalla änden 2 för systemets ar- betspunkt. Robotarmen 1. är fastsatt vid underlaget medelst ett stationärt fäste 3.

Genom olika vinklar kan arbetspunkten 2 inta valfria lägen 2, 2a, 2b, 2c etc. I det visade fallet endast i papperets plan i Fig. 1. Genom att tillföra ytterligare vridleder kan arbets- punkten 2 inta ett valfritt läge i ett tredimensionellt sys- tem.

En komplett rotorskiva 4 för användning i en vinkelgivare för en robotarm enligt uppfinningen visas i Fig. 2.

En av egenskaperna hos kapacitiva mätsystem utformade enligt SE patentet 7714010-l är att direkt och med hög noggrannhet kunna bestämma storleken av en relativ vinkelvridning som är mindre än mottagarelektroddelningen som i exemplet nedan är K:\Patent\00O097se\Slutfóreläggandcinldoc, 2002 -09-24 70 75 20 25 30 518 982 l/81-dels varv. Däremot erhålles ingen information om vilken mottagarelektroddelning (i exemplet vilken av 81 stycken möj- liga) som är aktuell. Givaren är därför försedd med ett andra vinkelmätsystenl med enl mottagarelektroddelning av 360° dvs. ett helt varv. Detta andra system, kallat ”grovmätsystem”, tjänar enbart till att fastställa vilken av exemplets 81 mot- tagarelektroddelningar som är aktuell.

I Fig. 2 återfinns rotorplattan 4, mottagarelektroderna 5 och avsedda att mot- (Fig. 4, 5). 5', samt inre mottagarelektroder 5c och 5c' taga signaler från grovmätsystemet De yttre mottagarelektroderna 5 och 5' bildar därvid tillsam- mans med motsvarande elektroder 6 på statorplattan 7 det hög- upplösande vinkelmätsystemet, medan de inre mottagarelektro- derna 5c och 5c' tillsammans med motsvarande elektroder 6' på statorplattan 7 bildar grovmätsystemet, som bestämmer vinkel- läget inom varvet 360°. I Fig. 3 visas ett avsnitt av rotor- plattan i större skala.

Plattan är belagd med en ledande beläggning som företrädesvis utgörs av en tunn påvalsad kopparfolie. De svarta linjerna markerar isolerande linjer som t.ex. kan åstadkommas medelst fotolitografisk etsning.

Linjerna 8,9 i Fig. 3, som bildar de polära begränsningslin- jerna för mottagarelektroderna, är riktade mot ett för alla på skivan befintliga cirkulära och polära element gemensamt centrum. Bredden på elektroderna är därvid företrädesvis vald så att elektrodernas bredd är lika stor som mellanrummet mellan elektroderna. Som framgår av Fig. 2, och som närmare kan studeras i Fig. 3, lämnas företrädesvis ett smalt band av ledande material 10 kvar ovanför elektrodernas 5 övre gräns.

K:\Pat:nt\000097se\Slulfiireläggandeixxldoc, 2002-09-24 70 75 20 25 30 518 982 Därigenom kommer samtliga elektroder 55 på rotorplattan att vara elektriskt sammankopplade i. fonn av parallellkoppling vilket medför att den i en enstaka rotorelektrod mycket svaga mottagna signalens styrka mångfaldigas med en faktor som i huvudsak är beroende av antalet rotorelektroder i skivan 4.

I ett tänkt utförande kan vinkeldelningen mellan rotorelek- troderna väljas så att 81 stycken elektroder finns över ett helt varv, 360°.

För att ytterligare öka den nmttagna signalens styrka, men framför allt i syfte att minska givarens känslighet för ex- terna störningsalstrare, vilka alstrar elektriska växelspän- ningsfält som kan uppfàngas av rotorskivans elektroder 5, är rotorskivan försedd med ett 2 och 3. andra rotorelektrodsystem 5', Fig. Denna andra elektroduppsättning 5' skapas av samma elektriska isolationslinje som formar den första elek- troduppsättningen 5, och eftersom elektrodbredden företrädes- vis valts sà att elektrodernas bredd är lika stor som mellan- rummet mellan elektroderna kommer elektroduppsättningens 5' form, yta och bredd att vara identiskt lika den första elek- troduppsättningens 5. Även denna andra elektroduppsättning 5' är elektriskt hop- kopplad på samma sätt som den första elektroduppsättningen 5 genom att ett smalt band av ledande material ll lämnas kvar nedanför elektroden.

I ett föredraget utförande överförs de i elektrodfälten 5 och 5' alstrade signalerna via genompläterade hål 12 och 13, Fig. 3, till på plattans baksida befintliga anordningar för att en differen- ansluta till signalbehandlande elektronik, t.ex. tialförstärkare.

K:\Patent\000097seßlutfiàreläggandeinldoc, 2002-09-24 70 75 20 25 518 982 I det föredragna system som beskrivs här används fyra mat- ningssignaler R,S,T,U. Dessa är enligt SE patentet 7714010-1 fasförskjutna relativt varandra enligt följande mönster: Matnings- R S T U signal Fasläqe o° 9o° 18o°27o° grader Av tabellen framgår att matningssignalerna R och T är sins- emellan l80° fasförskjutna. Likaså är matningssignalerna S och U sinsemellan l80° fasförskjutna.

Fig. 6 avser att förklara den differentiella signalbildningen i rotorplattans elektroduppsättningar 5 och 5'. I Fig. 6 vi- sas i ”röntgenbild” både rotorplatta och statorplatta i det läge som de befinner sig i en monterad vinkelgivare. Rotor- plattan 4 med de mottagande rotorelektrod-arrayerna 5 och 5' visas försedd med de därvid med tunna linjer och statorplattan 7 som är ”sändande” hjärtformade statorelektroderna R,S,T,U med tjockare linjer. Den differentiella signalgeome- trin iakttages enklast vid de elektroder i Fig. 6 som matas med växelspänningar med faserna S och U.

Av Fig. 6 framgår att i ett visst läge befinner sig samtliga stator-(sändar-)elektroder med fasen S rakt ovanför de inåt mot centrum riktade rotorelektroderna 5. Samtidigt befinner sig samtliga statorelektroder med fasen U rakt ovanför de utåtriktade rotorelektroderna 5'.

Geometriskt är som tidigare beskrivits ovan de båda rotor- elektroduppsättningarna 1/2 rotorelektroddelning förskjutna K:\Palent\000097se\SlutRàreläggandc.inl.doc, 2002-09-24 70 75 20 25 30 518 982 relativt varandra. Eftersom sändarelektroderna S och U matas med lika stora spänningar som är l80° fasförskjutna relativt varandra blir de i rotorelektroderna 5 och 5' mottagna signa- lerna lika stora men med motsatt tecken. Detta illustreras principiellt i Fig. 7. De båda diagrammen visar hur amplitu- den U hos den i rotorns mottagarelektroder 5 och 5' mottagna signalen varierar vid en relativ vinkeländring a mellan rotor och stator.

Det övre diagrammet illustrerar principiellt amplituden hos den signal som alstras i rotorelektroderna 5 och det undre nwtsvarande för den signal som alstras i rotorelektroderna 5'. Som framgår utgör de signaler som erhålls från elektrod- uppsättningen 5' en spegling av signalen i elektroduppsätt- ningen 5. Detta gör det mycket lämpligt att tillföra de båda signalerna till varsin ingång på en differentialförstärkare, som nämnts ovan. Därvid erhåller man effekten att de båda signalerna adderas och den resulterande utsignalen från för- stärkaren får' dubbelt så stor' amplitud. Dessutoni dämpas på detta sätt inflytanden av störsignaler alstrade i nwttagar- elektroderna 5 och 5' på grund av externa elektriska växel- fält genom differentialförstärkarens egenskap att undertrycka likfasiga signaler på dess ingångar (Common Mode Rejection).

Vid robotarmsystem innehållande en eller fler sammanlänkade ledarmar, l,lc i Fig. 1, ställs vid traditionella typer av vinkelgivare stora krav på armarnas lagring för bibehållande av systemets noggrannhet vid systemets arbetspunkt 2. Bris- tande precision i lagringen kan medföra stokastiska sned- ställningar av det slag som visas i Fig. 8 eller radiella förskjutningar enligt Fig. 9. arbetspunkt 2 kan bli behäftad. med ett Cosinusfel Detta medför att ledarmssyste- mets 1 K:\Palenl\0OO0Wseßlutlöreläggande.inldoc, 2002-09-24 70 15 20 25 30 518 982 beroende på snedställning illustrerad i Fig. 8 och/eller radiell och axiell förskjutning illustrerad i Fig. 9.

Vid tillämpning av den här beskrivna uppfinningen bortkompen- seras dock effekten av snedinställningar, av rotorn 4 rela- tivt statorn 7, Fig. 8, eller rent radiella förskjutningar av rotor relativt stator, Fig. 9, avseende den avlästa. vrid- ningsvinkeln direkt genom elektrodmönstrens 5 och 6 speciella utformning. Utmärkande för den första delen av uppfinningen är också att Cosinusfel eller radiell förskjutning av elek- trodsystemen kan negligeras. I en tillämpning i ett verkligt system enligt exempel i Fig. 1 måste emellertid även inverkan på systemets arbetspunkt 2 tas i beaktande. För en fullstän- dig kontroll över systemets rörelse i arbetspunkten 2 måste systemet även inhämta information om stokastiska vinkelfel av den typ som visas i Fig. 8 och stokastiska radiella förskjut- ningar enligt Fig. 8 och 9. 9 samt stokastiska axiella förskjutningar enligt Fig. Fenomen som med ett gemensamt namn bru- kar benämnas "glapp".

Enligt uppfinningen kan elektrodsystemen kompletteras med yt- terligare ett system, Fig. 10 och lOa. På statorplattan 7 är placerat en cirkulär sändarelektrod 14. På rotorplattan 4 finns nwttagarelektroderna 15 och 16 vilka genom kapacitiv från sändarelektroden 14 uppfàngar en överföring signal.

Amplituden av den nwttagna signalen i 15 respektive 16 är beroende av det relativa läget mellan 15/16 och sändarelek- troden 14. Vid symmetri blir amplituden lika stor i elektro- derna 15 och 16. Vid förskjutning från symmetriläget kommer amplituden att öka i den ena och minska i den andra elektro- den 15,16.

K:\Palent\0000Wseßlutföreläggand:.i.nl.doc, 2002-09-24 10 15 20 25 30 518 982 Genom att placera minst tre elektrodpar 15,16 likformigt för- delade utmed vinkelgivarens omkrets kan med hjälp av lämplig matematisk behandling av amplitudvärdena från elektroderna 15 och 16 den radiella förskjutningen av ledarmen 1 beräknas.

För att bestämma felaktig vinkelinställning enligt Fig. 8 kompletteras elektrodsystemen med ytterligare ett system, Fig. 11. elektrod På statorplattan 7 är placerat en cirkulär sändar- 17. På rotorplattan 4 finns minst tre mottagarelek- troder 18 likformigt fördelade utmed vinkelgivarens omkrets.

Elektrodernas 18 radiella utsträckning är mindre än elektro- dens 17 radiella utsträckning i syfte att elektrodens 18 kapacitiva koppling till 17 vid varje möjlig radiell för- skjutning skall förbli opåverkad.

Genom kapacitiv överföring från sändarelektroden 17 uppfångar mottagarelektroderna 18 varsin signal. Amplituden av den mot- tagna signalen i elektroderna 18 är beroende av det relativa avståndet mellan 18 och sändarelektroden 17. Vid symmetri blir amplituden lika stor i samtliga elektroder 18. Vid sned- ställning av ledarmen 1 enligt Fig. 8 blir amplituden hos respektive elektrod 18 beroende av felets storlek och rikt- ning. Med hjälp av lämplig matematisk behandling av amplitud- värdena från elektroderna 18 kan vinkelfel och axiell för- skjutning hos ledarmen 1 beräknas.

I Pig. 12 visas ett föredraget utförande. I det föredragna utförandet placeras sändarelektroderna 14 och 17 på samma ra- die och utgörs av en och samma elektrod 19. Mottagarelektro- derna 15 och 16 respektive 18 placeras företrädesvis, för att spara utrymme i radiell led, så att vartannat läge utmed vinkelgivarens omkrets upptages av en elektrodgrupp 15,16 och vartannat av en elektrod 18.

K:\Palent\b000Wseßlutföreläggande.inLdoc, 2002>09-24 70 15 20 25 30 518 982 10 Alternativt kan, där det radiella utrymmet är av underordnad betydelse, sändarelektroden 19 göras så bred att elektroderna 15, 16 och 18 kan fördelas oberoende av varandra utmed vin- kelgivarens omkrets.

För ett kapacitivt system av här beskriven princip, 4-fasigt, gäller att sändarelektroderna måste uppfylla villkoret att delningen mellan dessa måste vara = rotor(mottagnings)elek- trodernas delning/Ö, dvs. i detta fall = rotor(mottagnings) elektrodernas delning/4. I exemplet innebär detta att sändar- elektroddelningen skal vara 1/81 * 1/4 dvs. 1/324-dels varv.

Genom permutering av statorns fasmatningselektroder, som be- skrives i den andra samtidigt härmed inlämnade ansökningen, bibehålls fortfarande funktionellt den primära delningen mellan på varandra följande fasmatningselektroder R,S,T,U av 1/4-dels rotorelektroddelning.

Detta visas i Fig. 6 där i det visade läget sändarelektroden R till hälften befinner sig över en mottagarelektrod 5' och till hälften över en mottagarelektrod 5. Sändarelektroden S befinner sig rakt över en mottagarelektrod 5 och är därigenom till sin funktion 1/4-dels mottagarelektroddelning förskjuten relativt elektroden IK. Nästa elektrod 'T befinner sig till hälften över en mottagarelektrod 5 och till hälften över en mottagarelektrod 5', och därigenom alltså 1/2 nmttagarelek- troddelning förskjuten relativt elektroden R och 1/4 motta- garelektroddelning förskjuten relativt elektroden S. Pâ detta sätt kan visas att samtliga elektroder fortfarande till sin funktion är fördelade med en delning 1/4-dels mottagarelek- troddelning relativt en av mottagarelektroderna.

K:\Palenl\000097se\Slulßrelâggande.inldoc, 200209-24 10 15 20 25 518 982 11 Trots att vinkelgivaren för robotarmen eliminerar fel i vin- kelmåttsangivelsen som beror på bristfälligheter i lagringen hos de naskinelement där givaren är inbyggd, påverkas ändå positioneringsnoggrannheten i. det totala systemet nækaniskt och geometriskt av glapp och kast i dess lagringar. Även om vinkelläget är riktigt avläst av vinkelmätsystemet påverkas arbetspunktens 2, Fig. 1, läge av glapp eller forskjutningar av det slag som visas i Fig. 8 och 9.

Genom att tillföra ytterligare elektrodsystem kan även sådana fel, mätas och kompenseras i realtid. 11 och 12, Sådana elektrodsystem exemplifieras i Fig. 10, där Fig. 10 och 11 var för sig exemplifierar hur man mäter radialkast respektive 12 visas hur dessa båda kan axiella forskjutningar. I Fig. sammanföras till ett gemensamt system.

Till den ursprungliga beskrivningen av denna funktion bor in- fogas att utsignalerna från varje enskild platta 15,16 i Fig. 10 resp. 12 ansluts till en elektronikenhet som genom att mäta amplituderna hos de sex plattorna 15,16 momentant kan bestämma storlek och riktning av eventuellt radialkast.

På samma sätt är varje enskild platta 18 i Fig. 11 och 12 kopplad till en elektronikenhet som nwmentant kan bestämma storleken av axialförskjutningen och även eventuell vinkling enligt Fig. 8.

K:\Palent\0O0097se\Slutföreläggandejnldoc, 2002-09-24

Claims (7)

70 15 20 25 30 518 982 12 Patentkrav

1. Robotarm för industrirobotar, innefattande en eller flera ledarmar (l,lc) som medelst vridleder (la,lb) är inbördes och en ledarm (1) förbunden med ett (la,lb) förbundna med varandra, (3), varvid det i vridleden är anordnat en vin- (4-7) fäste kelgivare för att exakt mäta vinkelläget mellan led- armarna (1, lc) eller mellan ledarm (1) och fäste (3) för att möjliggöra en inställning av robotarmen i önskat vinkelläge, (4), med cirkulärt anordnade och radiellt riktade mottagarelektro- der (5) (7), lärt riktade och där vinkelgivaren innefattar en första platta, rotor samt en andra platta, stator försedd med cirku- radiellt sändarelektroder (6) (5) och med anordnade och anordnade på samma radie som mottagarelektoderna på respektive platta bestämd delning mellan mottagarelektro- der och sändarelektroder, varvid plattorna (4,7) är koaxiellt anordnade och vridbara i förhållande till varandra och plat- torna är vidare åtskilda av en tunn luftspalt möjliggörande en kapacitiv eller induktiv koppling mellan elektrodsystemen (5,6) (7), vardera ma- pà mottagarplattan (4) och sändarplattan k ä n - n e t e c k n a d av att sändarelektroderna (6) tas med en växelspänning med olika fas för intilliggande elektroder, varvid antalet matningsfaser, ®, är fler än två, och sändarelektroddelningen = mottagarelektroddelningen/Ö, och att statorns sändarelektroder (6) geometriskt är anordna- de så att fel i deras geometri i förhållande till geometrin för mottagarelektroderna (5) alstrar lika stora men motrikta- de felsignaler i rotorns mottagarelektroder (5). att n

2. Robotarm enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av stycken nwttagarelektroder (5) är jämnt fördelade över ro- torns (4) hela omkrets, varvid n är ett heltal, och att n * ® K:\Palent\000097se\Slutföreläggandeinldoc, 2002-09-24 70 75 20 25 518 982 13 stycken sändarelektroder (6) är jämnt fördelade över statorns (7) hela omkrets. eller 2, att rotorplattan (4)

3. Robotarm enligt krav 1 k ä n n e t e c k - n a d av och statorplattan (7) inne- fattar ett andra system av elektroder för att direkt mäta rotorplattans (4) vinkelläge inom ett helt varv om 360°.

4. Robotarm enligt något av de föregående kraven, k ä n n e - t e c k n a d av att den vidare innefattar ett särskilt elektrodsystem (14-18) för att mäta en ingående rörlig meka- nisk dels rörelser på grund av glapp i systemet. att (18:17)

5. Robotarm enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av det särskilda elektrodsystemet innefattar elektroder (4;7) integrerade i rotor- och statorplattor och exciteras av en sändarelektrod (17) på statorplattan för mätning av rörel- ser i radiell led. att (15,l6;

6. Robotarm enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av det särskilda elektrodsystemet innefattar elektroder (4;7) 14) integrerade i rotor- och statorplattor och excite- ras av en sändarelektrod (14) på statorplattan för mätning av rörelser i axiell led.

7. Robotarm. enligt av krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k - n a d av (19). att sändarelektroden är en gemensam såndarelektrod K:\Palent\000097se\SlutIörelâggandeinldoc, 2002-0944