DE102019202605B4 - Manipulator and method for operating a manipulator - Google Patents

Abstract

Manipulator (1) zur Unterstützung einer manuellen Bewegung einer Last (2), mit einem Grundkörper (36), mit einer Lastaufnahmeeinrichtung (3) zur Aufnahme der Last (2), die beweglich mit dem Grundkörper (36) verbunden ist, mit einem Fluidaktor (4) zur Einleitung einer Relativbewegung zwischen Grundkörper (36) und Lastaufnahmeeinrichtung (3), der ein erstes, mit dem Grundkörper (36) verbundenes Aktorteil (17) und ein zweites, mit der Lastaufnahmeeinrichtung (3) verbundenes Aktorteil (21) umfasst, wobei das erste Aktorteil (17) und das zweite Aktorteil (21) relativbeweglich miteinander verbunden sind und einen größenvariablen Arbeitsraum (20) begrenzen, der mit einem Arbeitsfluid beaufschlagbar ist, mit einer Positionssensoreinrichtung (24) zur Erfassung einer Relativposition des zweiten Aktorteils (21) gegenüber dem ersten Aktorteil (17), mit einem Drucksensor (23) zur Erfassung eines Drucks im Arbeitsraum (20), mit einer Eingabeeinrichtung (10) zur Erfassung eines Bedienwunschs eines Bedieners, mit einer Steuerungseinrichtung (16) zur Bereitstellung eines Steuersignals an eine Ventileinrichtung (26) sowie mit einer Ventileinrichtung (26), die zur Bereitstellung eines Arbeitsfluids an den Arbeitsraum (20) in Abhängigkeit von dem Steuersignal ausgebildet ist, wobei die Steuerungseinrichtung (16) für eine Ermittlung des Steuersignals in Abhängigkeit von dem Bediensignal der Eingabeeinrichtung (10) und dem Positionssignal der Positionssensoreinrichtung (24) und dem Drucksignal des Drucksensors (23) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (16) für eine Berechnung einer Masse einer an der Lastaufnahmeeinrichtung (3) aufgenommenen Last (2) aus dem Positionssignal und dem Drucksignal sowie für eine Berücksichtigung der berechneten Masse bei der Ermittlung des Steuersignals ausgebildet ist.Manipulator (1) for supporting a manual movement of a load (2), with a base body (36), with a load-receiving device (3) for receiving the load (2), which is movably connected to the base body (36), with a fluid actuator (4) for initiating a relative movement between the base body (36) and the load-carrying device (3), which comprises a first actuator part (17) connected to the base body (36) and a second actuator part (21) connected to the load-carrying device (3), wherein the first actuator part (17) and the second actuator part (21) are connected to one another in a relatively movable manner and delimit a variable-size working space (20) which can be acted upon by a working fluid, with a position sensor device (24) for detecting a relative position of the second actuator part (21) opposite the first actuator part (17), with a pressure sensor (23) for detecting a pressure in the working space (20), with an input device (10) for detecting an operator's operating request, with a control device (16) for providing a control signal to a valve device (26) and with a valve device (26) which is designed to provide a working fluid to the working space (20) depending on the control signal, the control device (16) being used to determine the control signal depending on the operating signal of the input device (10 ) and the position signal of the position sensor device (24) and the pressure signal of the pressure sensor (23), characterized in that the control device (16) for calculating a mass of a load (2) picked up on the load receiving device (3) from the position signal and the pressure signal and is designed to take the calculated mass into account when determining the control signal.

Description

Die Erfindung betrifft einen Manipulator zur Unterstützung einer manuellen Bewegung einer Last. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Manipulators.The invention relates to a manipulator for supporting manual movement of a load. The invention further relates to a method for operating such a manipulator.

Aus der DE 10 2014 001 677 A1 ist eine Arbeitsvorrichtung bekannt, die über eine Betätigungseinrichtung verfügt, die geeignet ist, um eine fluidbetätigte Antriebseinrichtung zu betätigen, wobei die Betätigungseinrichtung ein Arbeitsventil enthält, das auf der Grundlage eines pneumatischen Steuerdruckes ansteuerbar ist, der mittels einer Steuerungseinrichtung stetig variabel vorgebbar ist, wobei die Betätigungseinrichtung ferner ein den Steuerdruck bereitstellendes geschlossenes pneumatisches Hohlraumsystem umfasst, zu dem eine volumenveränderliche Steuerkammer gehört, deren Innendruck den pneumatischen Steuerdruck bildet, wobei durch manuelles Bewegen eines Handbetätigungsmittels das Volumen einer zu dem Hohlraumsystem gehörenden Steuerkammer zur Beeinflussung des Steuerdruckes verändert werden kann.From the DE 10 2014 001 677 A1 a working device is known which has an actuating device which is suitable for actuating a fluid-operated drive device, the actuating device containing a working valve which can be controlled on the basis of a pneumatic control pressure which can be continuously variably predetermined by means of a control device, the Actuating device further comprises a closed pneumatic cavity system providing the control pressure, which includes a volume-variable control chamber, the internal pressure of which forms the pneumatic control pressure, wherein the volume of a control chamber belonging to the cavity system can be changed to influence the control pressure by manually moving a hand actuator.

Die DE 10 2014 112 547 A1 offenbart einen handgeführten Manipulator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Mittels einer Kontrolleinheit lässt sich der pneumatische Druckzylinder einerseits druckgeregelt und andererseits positionsgeregelt betreiben. Eine Zusammenwirkung zwischen einem Drucksignal und einem Positionssignal zur Berechnung einer aufgenommenen Last ist nicht vorgesehen.The DE 10 2014 112 547 A1 discloses a hand-held manipulator according to the preamble of claim 1. By means of a control unit, the pneumatic pressure cylinder can be operated in a pressure-controlled manner on the one hand and a position-controlled manner on the other hand. An interaction between a pressure signal and a position signal to calculate a recorded load is not provided.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Manipulator und ein Verfahren zum Betreiben eines Manipulators bereitzustellen, mit denen präzise Handhabung von Lasten ermöglicht wird.The object of the invention is to provide a manipulator and a method for operating a manipulator that enable precise handling of loads.

Diese Aufgabe wird für einen Manipulator der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der Manipulator einen Grundkörper, eine Lastaufnahmeeinrichtung, die beweglich mit dem Grundkörper verbunden ist und die zur Aufnahme einer Last ausgebildet ist, einen Fluidaktor zur Einleitung einer Relativbewegung zwischen Grundkörper und Lastaufnahmeeinrichtung mit einem ersten, mit dem Grundkörper verbundenen Aktorteil und mit einem zweiten, mit der Lastaufnahmeeinrichtung verbundenen Aktorteil umfasst, wobei das erste Aktorteil und das zweite Aktorteil relativbeweglich miteinander verbunden sind und einen größenvariablen Arbeitsraum begrenzen, der mit einem Arbeitsfluid beaufschlagbar ist, und wobei der Manipulator weiterhin eine Positionssensoreinrichtung zur Erfassung einer Relativposition des zweiten Aktorteils gegenüber dem ersten Aktorteil, einen Drucksensor zur Erfassung eines Drucks im Arbeitsraum, eine Eingabeeinrichtung zur Erfassung eines Bedienwunschs eines Bedieners, eine Steuerungseinrichtung zur Bereitstellung eines Steuersignals an eine Ventileinrichtung sowie eine Ventileinrichtung zur Bereitstellung eines Arbeitsfluids an den Arbeitsraum in Abhängigkeit von dem Steuersignal umfasst, wobei die Steuerungseinrichtung für eine Ermittlung des Steuersignals, insbesondere ausschließlich, in Abhängigkeit von dem Bediensignal der Eingabeeinrichtung und dem Positionssignal der Positionssensoreinrichtung und dem Drucksignal des Drucksensors ausgebildet ist, wobei die Steuerungseinrichtung für eine Berechnung einer Masse einer an der Lastaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Last aus dem Positionssignal und dem Drucksignal sowie für eine Berücksichtigung der berechneten Masse bei der Ermittlung des Steuersignals ausgebildet ist.This task is achieved for a manipulator of the type mentioned with the features of claim 1. It is provided here that the manipulator has a base body, a load-receiving device which is movably connected to the base body and which is designed to receive a load, a fluid actuator for initiating a relative movement between the base body and the load-receiving device with a first actuator part connected to the base body and with a second actuator part connected to the load-carrying device, wherein the first actuator part and the second actuator part are connected to one another in a relatively movable manner and delimit a variable-size working space which can be acted upon by a working fluid, and wherein the manipulator further comprises a position sensor device for detecting a relative position of the second actuator part the first actuator part, a pressure sensor for detecting a pressure in the work space, an input device for detecting an operator's operating request, a control device for providing a control signal to a valve device and a valve device for providing a working fluid to the work space depending on the control signal, wherein the Control device for determining the control signal, in particular exclusively, is designed as a function of the operating signal of the input device and the position signal of the position sensor device and the pressure signal of the pressure sensor, wherein the control device is designed for calculating a mass of a load picked up on the load receiving device from the position signal and the pressure signal and is designed to take the calculated mass into account when determining the control signal.

Beispielhaft ist der Grundkörper ortsfest an einem Gebäudeteil, insbesondere an einer Gebäudedecke oder einer Gebäudewand, oder an einem Maschinenrahmen festgelegt oder ist als Bestandteil einer Führungseinrichtung, die eine Verlagerung des gesamten Manipulators innerhalb eines vorgebbaren Raumbereichs, beispielsweise als Führungswagen an einem Schienensystem, ausgebildet.For example, the base body is fixed in a stationary manner to a part of a building, in particular to a building ceiling or a building wall, or to a machine frame, or is designed as a component of a guide device that allows the entire manipulator to be displaced within a predeterminable spatial area, for example as a guide carriage on a rail system.

Die Lastaufnahmeeinrichtung ist zur Aufnahme einer Last ausgebildet und kann exemplarisch als Sauggreifer ausgebildet sein, der einen unterdruckbeaufschlagbaren Saugnapf zur zeitweiligen Anhaftung an einer Lastoberfläche umfassen kann. Die Lastaufnahmeeinrichtung ist beispielsweise an einem zweiten Aktorteil eines Fluidaktors festgelegt, wobei das zweite Aktorteil mit einem ersten Aktorteil relativbeweglich verbunden ist und das erste Aktorteil mit dem Grundkörper verbunden ist. Beispielhaft ist der Fluidaktor als Pneumatikzylinder ausgebildet, wobei eines der beiden Aktorteile durch ein Zylindergehäuse und ein anderes der beiden Aktorteile durch eine beweglich im Zylindergehäuse aufgenommene Kolbenstange gebildet wird. In diesem Fall wird ein größenvariabler Arbeitsraum des Fluidaktors von einer im Zylindergehäuse ausgebildeten Zylinderbohrung und einem endseitig an der Kolbenstange angeordneten Kolben gebildet. Der Arbeitsraum kann mit einem Arbeitsfluid beaufschlagt werden, um eine Krafteinleitung auf die Lastaufnahmeeinrichtung zu bewirken und damit ein Anheben oder Absenken der an der Lastaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Last zu ermöglichen.The load-carrying device is designed to hold a load and can be designed, for example, as a suction gripper, which can include a suction cup that can be pressurized for temporary adhesion to a load surface. The load-carrying device is fixed, for example, to a second actuator part of a fluid actuator, the second actuator part being connected to a first actuator part in a relatively movable manner and the first actuator part being connected to the base body. For example, the fluid actuator is designed as a pneumatic cylinder, with one of the two actuator parts being formed by a cylinder housing and another of the two actuator parts being formed by a piston rod movably accommodated in the cylinder housing. In this case, a variable-size working space of the fluid actuator is formed by a cylinder bore formed in the cylinder housing and a piston arranged at the end on the piston rod. The working space can be supplied with a working fluid in order to introduce force onto the load-carrying device and thus enable the load picked up on the load-carrying device to be raised or lowered.

Ferner umfasst der Manipulator eine Positionssensoreinrichtung, die zur Erfassung einer Relativposition des zweiten Aktorteils gegenüber dem ersten Aktorteil und die zur Bereitstellung eines elektrischen Positionssignals ausgebildet ist. Furthermore, the manipulator comprises a position sensor device which is designed to detect a relative position of the second actuator part relative to the first actuator part and which is designed to provide an electrical position signal.

Beispielhaft kann die Positionssensoreinrichtung einen dem Kolben des Fluidaktors zugeordneten Permanentmagneten und eine Anordnung von Magnetfeldsensoren, die an einer Außenseite des Zylindergehäuses des Fluidaktors angebracht sind, umfassen.By way of example, the position sensor device can be assigned to the piston of the fluid actuator th permanent magnets and an arrangement of magnetic field sensors which are attached to an outside of the cylinder housing of the fluid actuator.

Dem Arbeitsraum des Manipulators ist ein Drucksensor zugeordnet, der zur Erfassung eines Drucks im Arbeitsraum ausgebildet ist. Der Drucksensor ist zur Bereitstellung eines elektronischen Drucksignals ausgebildet.A pressure sensor is assigned to the working space of the manipulator and is designed to detect a pressure in the working space. The pressure sensor is designed to provide an electronic pressure signal.

Um einen Bedienwunsch eines Bedieners erfassen zu können, ist eine Eingabeeinrichtung vorgesehen, die beispielhaft als schwenkbeweglich am zweiten Aktorteil oder an der Lastaufnahmeeinrichtung gelagerter Bedienhebel ausgebildet sein kann und die von einem Bediener dazu genutzt werden kann, eine Hubbewegung oder eine Absenkbewegung für die Last vorzugeben.In order to be able to detect an operator's operating request, an input device is provided, which can be designed, for example, as an operating lever mounted pivotably on the second actuator part or on the load-carrying device and which can be used by an operator to specify a lifting movement or a lowering movement for the load.

Der Manipulator umfasst ferner eine Steuerungseinrichtung, die zur Bereitstellung eines Steuersignals an eine Ventileinrichtung ausgebildet ist, wobei die Steuerungseinrichtung für eine Verarbeitung von Eingangssignalen der Positionssensoranordnung, des Drucksensors und der Eingabeeinrichtung ausgebildet ist, um daraus das Steuersignal zu ermitteln, das an eine Ventileinrichtung bereitgestellt wird. Die Ventileinrichtung ist ihrerseits zur Bereitstellung eines Arbeitsfluids an den Arbeitsraum ausgebildet, um eine Relativbewegung des zweiten Aktorteils des Fluidaktors gegenüber dem ersten Aktorteil des Fluidaktors zu ermöglichen und damit die gewünschte Hubbewegung oder Absenkbewegung für die Last hervorzurufen.The manipulator further comprises a control device which is designed to provide a control signal to a valve device, wherein the control device is designed to process input signals from the position sensor arrangement, the pressure sensor and the input device in order to determine therefrom the control signal which is provided to a valve device . The valve device is in turn designed to provide a working fluid to the working space in order to enable a relative movement of the second actuator part of the fluid actuator relative to the first actuator part of the fluid actuator and thus to bring about the desired lifting movement or lowering movement for the load.

Dabei ist die Steuerungseinrichtung für eine Ermittlung des Steuersignals in Abhängigkeit von dem Bediensignal der Eingabeeinrichtung und dem Positionssignal der Positionssensoreinrichtung und dem Drucksignal des Drucksensors ausgebildet. Bei dem Steuersignal handelt es sich beispielsweise um ein analoges oder digitales elektrisches Signal, das von der Steuerungseinrichtung an die Ventileinrichtung bereitgestellt wird. Die Ventileinrichtung umfasst rein exemplarisch ein Proportionalventil, mit dem ein Arbeitsdruck in der Arbeitskammer wahlweise erhöht oder reduziert werden kann.The control device is designed to determine the control signal as a function of the operating signal of the input device and the position signal of the position sensor device and the pressure signal of the pressure sensor. The control signal is, for example, an analog or digital electrical signal that is provided by the control device to the valve device. The valve device comprises, purely as an example, a proportional valve with which a working pressure in the working chamber can either be increased or reduced.

Die Steuerungseinrichtung berücksichtigt bei der Ermittlung des Steuersignals für die Ventileinrichtung zunächst den Bedienwunsch des Bedieners, der über die Eingabeeinrichtung eingegeben wird. Bei dem Bedienwunsch handelt es sich um eine Hubanforderung oder um eine Absenkanforderung. Ferner berücksichtigt die Steuerungseinrichtung eine Beziehung zwischen dem Positionssignal und dem Drucksignal, aus der ein Rückschluss darauf gezogen werden kann, durch welche Änderung des Drucks für das im Arbeitsraum vorhandene Fluid der Bedienwunsch in geeigneter Weise umgesetzt werden kann, ohne dass hierbei ein manuelles Nachsteuern durch den Bediener erforderlich wird. Die Wirkungsweise der Steuerungseinrichtung kann beispielsweise daran verdeutlicht werden, dass die Last eine veränderliche Masse aufweist. Exemplarisch handelt es sich bei der Last um einen Behälter für ein Kunststoffgranulat, mit dem eine Spritzgussmaschine beschickt werden soll. Hierzu wird der Behälter mit Hilfe des Manipulators von einer Palette angehoben und über einen Einfülltrichter der Spritzgussmaschine bewegt, um dort das im Behälter aufgenommene Kunststoffgranulat in einem Schüttvorgang in den Einfülltrichter zu entleeren. Während des Schüttvorgangs reduziert sich die Masse der am Manipulator aufgenommenen Last, ohne dass hierbei eine Veränderung der Position des Behälters erwünscht wäre, dementsprechend wird während des Schüttvorgangs auch kein Bedienwunsch an der Eingabeeinrichtung eingegeben. Bei einer Verwendung von Druckluft als Arbeitsfluid kommt es ohne eine Einflussnahme auf das Arbeitsfluid im Arbeitsraum zu einer unerwünschten Hubbewegung der Lastaufnahmeeinrichtung. Die Steuerungseinrichtung berücksichtigt neben dem Bedienwunsch auch das Positionssignal und das Drucksignal und bewirkt bei dem vorstehenden Beispiel, dass in Abwesenheit eines Bediensignals trotz der Reduktion der Masse der Last die Position der Lastaufnahmeeinrichtung konstant gehalten wird. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, die Ansteuerung der Ventileinrichtung durch die Steuerungseinrichtung ohne eine unmittelbare oder direkte Messung der Gewichtskraft der Last vorzunehmen, da hierfür eine Wägezelle oder Kraftmessdose erforderlich wäre, die die Kosten für den Manipulator erhöhen würde.When determining the control signal for the valve device, the control device first takes into account the operator's operating request, which is entered via the input device. The operating request is a lifting request or a lowering request. Furthermore, the control device takes into account a relationship between the position signal and the pressure signal, from which a conclusion can be drawn as to which change in the pressure for the fluid present in the working space can appropriately implement the operating request without the need for manual readjustment by the operator is required. The operation of the control device can be illustrated, for example, by the fact that the load has a variable mass. For example, the load is a container for plastic granules that is to be used to feed an injection molding machine. For this purpose, the container is lifted from a pallet with the help of the manipulator and moved over a filling hopper of the injection molding machine in order to empty the plastic granules contained in the container into the filling hopper in a pouring process. During the pouring process, the mass of the load picked up on the manipulator is reduced without any change in the position of the container being desired; accordingly, no operating request is entered into the input device during the pouring process. When compressed air is used as the working fluid, an undesirable lifting movement of the load-carrying device occurs without any influence on the working fluid in the working space. In addition to the operating request, the control device also takes into account the position signal and the pressure signal and, in the above example, causes the position of the load-carrying device to be kept constant in the absence of an operating signal despite the reduction in the mass of the load. In particular, it is provided that the valve device is activated by the control device without an immediate or direct measurement of the weight of the load, since this would require a load cell or load cell, which would increase the costs for the manipulator.

Zweckmäßig ist es, wenn die Positionssensoreinrichtung einen ersten Positionssensor zur Bereitstellung eines ersten Positionssignals und einen zweiten Positionssensor zur Bereitstellung eines zweiten Positionssignals umfasst und dass die Positionssensoreinrichtung oder die Steuerungseinrichtung zur Verarbeitung des ersten und zweiten Positionssignals zum Positionssignal ausgebildet ist. Mit Hilfe der wenigstens zwei Positionssensoren kann eine redundante Verarbeitung von Positionssignalen vorgesehen werden, um beispielsweise Anforderungen an einen sicherheitsgerichteten Betrieb des Manipulators erfüllen zu können. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Positionssensoren unabhängig voneinander jeweils ein Positionssignal erzeugen, das in der der Verarbeitungseinrichtung verarbeitet wird und mit dem jeweils anderen Positionssignal verglichen wird, um bei Abweichungen zwischen den beiden Positionssignalen, die außerhalb eines vorgebbaren Abweichungsintervalls liegen, beispielsweise eine weitere Hubbewegung oder Absenkbewegung für die Last zu unterbinden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, wenn in der Steuerungseinrichtung eine diversitär redundante Verarbeitung der Positionssignale der beiden Positionssensoren erfolgt, also jedes der Positionssignale mit einem unterschiedlichen Berechnungsalgorithmus verarbeitet wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Positionssensoren diversitär redundant ausgebildet sind, also die Positionsmessung mit jeweils unterschiedlicher Messmethode durchgeführt wird.It is expedient if the position sensor device comprises a first position sensor for providing a first position signal and a second position sensor for providing a second position signal and that the position sensor device or the control device is designed to process the first and second position signals into a position signal. With the help of the at least two position sensors, redundant processing of position signals can be provided in order, for example, to be able to meet requirements for safety-related operation of the manipulator. It is preferably provided that the two position sensors each independently generate a position signal, which is processed in the processing device and is compared with the other position signal in order to, for example, a further lifting movement in the event of deviations between the two position signals that lie outside a predeterminable deviation interval or to prevent the load from lowering. It is particularly preferred if the position signals of the two position sensors are processed in a diversely redundant manner in the control device, i.e. each of the position signals is processed with a different calculation algorithm. In particular, it is provided that the position sensors are designed to be diversely redundant, i.e. the position measurement is carried out using different measuring methods.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung für eine Berechnung einer Masse einer an der Lastaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Last aus dem Positionssignal und dem Drucksignal sowie für eine Berücksichtigung der berechneten Masse bei der Ermittlung des Steuersignals ausgebildet ist. Durch eine Berechnung der Masse kann eine zuverlässige Vorgabe für die erforderliche Druckänderung ermittelt werden, um angesichts der gewünschten Positionsänderung sowohl eine vorteilhafte Beschleunigung der Last als auch ein präzises Erreichen der gewünschten Position gewährleisten zu können.According to the invention, it is provided that the control device is designed to calculate a mass of a load picked up on the load-receiving device from the position signal and the pressure signal and to take the calculated mass into account when determining the control signal. By calculating the mass, a reliable specification for the required pressure change can be determined in order to be able to ensure both an advantageous acceleration of the load and precise achievement of the desired position in view of the desired change in position.

Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung für einen Abgleich eines anhand des Positionssignals und des Drucksignals simulierten Bewegungsverhaltens der Last mit einem anhand des Positionssignals und des Drucksignals ermittelten tatsächlichen Bewegungsverhalten der Last zur Ermittlung einer Masse der an der Lastaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Last ausgebildet ist. Hierzu wird ein sogenannter Beobachteralgorithmus eingesetzt, der dazu ausgebildet ist, auf Basis von Messwerten des Drucksensors und einer gespeicherten mathematischen Beschreibung des Manipulators zunächst eine Masse der an der Lastaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Last zu berechnen. Auf Basis dieser Massenberechnung kann der Beobachteralgorithmus dann eine Vorhersage zum Bewegungsverhalten des Manipulators erstellen. Das vorhergesagte Bewegungsverhalten wird dann mit einem tatsächlichen Bewegungsverhalten des Manipulators verglichen, das durch das Positionssignal repräsentiert wird. Die Differenz zwischen dem vorhergesagtem Bewegungsverhalten und dem tatsächlichem Bewegungsverhalten wird als Positionsabweichung an einen Anpassungsalgorithmus für eine Korrektur der errechneten Masse bereitgestellt. Der vom Anpassungsalgorithmus korrigierte Massenwert kann dann zum einen direkt an den Beobachteralgorithmus bereitgestellt werden und zum anderen nach Umrechnung in eine Gewichtskraft von einer aus dem Drucksignal berechneten Druckkraft abgezogen werden, um dadurch das Eingangssignal für den Beobachteralgorithmus zu bilden. Ferner kann aus dem Betrag der korrigierten Masse ein Steuersignal für die Ansteuerung der Ventileinrichtung ermittelt werden, um eine geeignete Bereitstellung von Arbeitsfluid an den Fluidaktor zu gewährleisten.For this purpose, it is in particular provided that the control device is designed to compare a movement behavior of the load simulated based on the position signal and the pressure signal with an actual movement behavior of the load determined based on the position signal and the pressure signal in order to determine a mass of the load picked up on the load receiving device. For this purpose, a so-called observer algorithm is used, which is designed to first calculate a mass of the load picked up at the load-carrying device based on measured values from the pressure sensor and a stored mathematical description of the manipulator. Based on this mass calculation, the observer algorithm can then make a prediction about the movement behavior of the manipulator. The predicted movement behavior is then compared with an actual movement behavior of the manipulator, which is represented by the position signal. The difference between the predicted movement behavior and the actual movement behavior is provided as a position deviation to an adaptation algorithm for a correction of the calculated mass. The mass value corrected by the adaptation algorithm can then be provided directly to the observer algorithm and, after conversion into a weight force, can be subtracted from a pressure force calculated from the pressure signal in order to thereby form the input signal for the observer algorithm. Furthermore, a control signal for activating the valve device can be determined from the amount of the corrected mass in order to ensure a suitable provision of working fluid to the fluid actuator.

Vorteilhaft ist es, wenn die Steuerungseinrichtung für eine interne Ermittlung der Masse der an der Lastaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Last ohne Einbeziehung eines Lastsignals einer Lastmesszelle ausgebildet ist. Für eine interne Ermittlung der Masse benötigt die Steuerungseinrichtung keine unmittelbare Messung der Masse, wie sie beispielsweise mit einer Lastmesszelle vorgenommen werden könnte. Eine Lastmesszelle oder Wägezelle erfordert eine mechanische Integration am Manipulator, insbesondere im Bereich zwischen der Lastaufnahmeeinrichtung und dem Fluidaktor. Ferner handelt es sich bei der Lastmesszelle um einen zusätzlichen Kostenfaktor und um eine typischerweise eher empfindliche Komponente, die die Belastungsfähigkeit des Manipulators vermindert. Wenn der Manipulator ohne eine Lastmesszelle, also ohne eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Masse und/oder der Gewichtskraft ausgebildet ist, steht auch kein Lastsignal zu Verfügung. Somit muss für einen vorteilhaften Betrieb des Manipulators eine interne Massenberechnung in der Steuerungseinrichtung auf Basis von gegebenen Sensorsignalen, insbesondere auf Basis des Positionssignals und des Drucksignals, vorgenommen werden, was mit Hilfe des Beobachteralgorithmus und des Anpassungsalgorithmus, die in der Steuerungseinrichtung verarbeitet werden, vorgenommen werden kann.It is advantageous if the control device is designed for an internal determination of the mass of the load picked up on the load-carrying device without including a load signal from a load measuring cell. For an internal determination of the mass, the control device does not require any direct measurement of the mass, as could be carried out, for example, with a load measuring cell. A load measuring cell or load cell requires mechanical integration on the manipulator, especially in the area between the load receiving device and the fluid actuator. Furthermore, the load measuring cell is an additional cost factor and is typically a rather sensitive component that reduces the load capacity of the manipulator. If the manipulator is designed without a load measuring cell, i.e. without a measuring device for determining the mass and/or the weight, no load signal is available. Thus, for advantageous operation of the manipulator, an internal mass calculation must be carried out in the control device on the basis of given sensor signals, in particular based on the position signal and the pressure signal, which is carried out with the aid of the observer algorithm and the adaptation algorithm, which are processed in the control device can.

Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt durch Verfahren zum Betreiben eines Manipulators zum Bewegen einer Last gelöst. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Erfassen eines Bedienwunschs eines Bedieners mit einer Eingabeeinrichtung und Bereitstellung eines Bediensignals an eine Steuerungseinrichtung, Ermitteln eines Arbeitsdrucks für ein Arbeitsfluid in einem Arbeitsraum eines Fluidaktors anhand eines Drucksignals eines dem Fluidaktor zugeordneten Drucksensors und Ermitteln einer Relativposition eines zweiten Aktorteils des Fluidaktors gegenüber einem ersten Aktorteil des Fluidaktors anhand eines Positionssignals eines dem Fluidaktor zugeordneten Positionssensoreinrichtung, Verändern des Arbeitsdrucks im Arbeitsraum in Abhängigkeit von dem Bediensignal durch Ansteuern einer Ventileinrichtung mit einem von der Steuerungseinrichtung bereitgestellten Steuersignal, so dass eine Positionsveränderung einer Last, die an einer vom Fluidaktor bewegbaren Lastaufnahmeeinrichtung aufgenommen ist, zum Bediensignal korrespondiert, wobei die Steuerungseinrichtung das Steuersignal, insbesondere ausschließlich, in Abhängigkeit von dem Bediensignal und dem Drucksignal und dem Positionssignal ermittelt, wobei in der Steuerungseinrichtung für eine Ermittlung des Steuersignals eine Massenberechnung für eine an der Lastaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Last vorgenommen wird, indem anhand des Positionssignals und des Drucksignals eine Simulation eines Bewegungsverhaltens der Last mit einem anhand des Positionssignals und des Drucksignals ermittelten tatsächlichen Bewegungsverhalten verglichen wird.The object of the invention is achieved according to a second aspect of the invention by methods for operating a manipulator for moving a load. The method includes the following steps: detecting an operator's operating request with an input device and providing an operating signal to a control device, determining a working pressure for a working fluid in a working space of a fluid actuator based on a pressure signal from a pressure sensor assigned to the fluid actuator and determining a relative position of a second actuator part of the fluid actuator relative to a first actuator part of the fluid actuator based on a position signal of a position sensor device assigned to the fluid actuator, changing the working pressure in the working space as a function of the operating signal by controlling a valve device with a control signal provided by the control device, so that a change in position of a load that is on one of the Fluid actuator movable load-carrying device is accommodated, corresponds to the operating signal, wherein the control device determines the control signal, in particular exclusively, as a function of the operating signal and the pressure signal and the position signal, wherein in the control device for a determination of Control signal, a mass calculation is carried out for a load picked up on the load-receiving device by comparing, based on the position signal and the pressure signal, a simulation of a movement behavior of the load with an actual movement behavior determined on the basis of the position signal and the pressure signal.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in der Positionssensoreinrichtung oder in der Steuerungseinrichtung eine erste Verarbeitung eines ersten Positionssignals eines ersten Positionssensors und eine zweite Verarbeitung eines zweiten Positionssignals eines zweiten Positionssensors zur Bereitstellung umfasst und wobei die Steuerungseinrichtung zur Verarbeitung des ersten und zweiten Positionssignals zu einem gemeinsamen Positionssignal ausgebildet ist.In a further development of the method it is provided that in the position sensor device or in the control device a first processing of a first position signal of a first position sensor and a second processing of a second position signal of a second position sensor are provided for provision and wherein the control device is used to process the first and second position signals a common position signal is formed.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung das Steuersignal ohne Einbeziehung eines Lastsignals einer Abhängigkeit von dem Bediensignal und dem Drucksignal und dem Positionssignal ermittelt.In an advantageous development of the method it is provided that the control device determines the control signal without including a load signal as a function of the operating signal and the pressure signal and the position signal.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung die Masse der an der Lastaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Last ausschließlich intern, insbesondere ohne Einbeziehung eines Lastsignals einer Lastmesszelle, ermittelt.In a further embodiment of the method, it is provided that the control device determines the mass of the load picked up on the load-carrying device exclusively internally, in particular without including a load signal from a load measuring cell.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:

• 1 eine streng schematische Darstellung eines Manipulators, wie er zur Unterstützung der manuellen Handhabung von Lasten eingesetzt werden kann, und
• 2 eine streng schematische Darstellung der Steuerungseinrichtung des Manipulators gemäß der 1.

An advantageous embodiment of the invention is shown in the drawing. This shows:

• 1 a strictly schematic representation of a manipulator as it can be used to support the manual handling of loads, and
• 2 a strictly schematic representation of the control device of the manipulator according to 1 .

Ein in der 1 rein schematisch dargestellte Manipulator 1 dient zur Unterstützung eines nicht dargestellten Bedieners bei der Handhabung einer Last 2, bei der es sich rein exemplarisch um einen quaderförmigen Behälter handelt.An Indian 1 Manipulator 1, shown purely schematically, is used to support an operator, not shown, in handling a load 2, which, purely as an example, is a cuboid-shaped container.

Für die Handhabung dieser Last 2 umfasst der Manipulator 1 einen auch als Lastaufnahmeeinrichtung bezeichneten Sauggreifer 3, der endseitig an einem Fluidaktor 4 angebracht ist und der eine Grundplatte 5 und einen an der Grundplatte 5 angeordneten, aus einem gummielastischen Material hergestellten, rein exemplarisch konusabschnittsförmig ausgebildeten Saugnapf 6 umfasst. Dabei ist die Grundplatte 5 mit dem Fluidaktor 4 verbunden und umfasst einen Fluidanschluss 7, der zur Ankopplung mit einer Fluidleitung 8 ausgebildet ist. Die Fluidleitung 8 verbindet den Sauggreifer 3 mit einer Unterdruckquelle 9, die zu einer zeitweiligen Bereitstellung von Unterdruck an den Sauggreifer 3 ausgebildet ist, damit dieser durch Unterdruckbeauftragung des Saugnapfs 6 ein Ergreifen der Last 2 ermöglicht.For handling this load 2, the manipulator 1 includes a suction gripper 3, also known as a load-receiving device, which is attached at the end to a fluid actuator 4 and which has a base plate 5 and a suction cup arranged on the base plate 5 and made of a rubber-elastic material and designed purely as an example in the shape of a cone section 6 includes. The base plate 5 is connected to the fluid actuator 4 and includes a fluid connection 7, which is designed for coupling to a fluid line 8. The fluid line 8 connects the suction gripper 3 with a vacuum source 9, which is designed to temporarily provide vacuum to the suction gripper 3 so that it enables the load 2 to be gripped by applying negative pressure to the suction cup 6.

Beispielhaft ist an der Grundplatte 5 des Sauggreifers 3 eine Eingabeeinrichtung 10 angeordnet, die rein exemplarisch einen Bedienhebel 11 sowie eine Schalteranordnung 12 umfasst und die für eine Eingabe eines Bedienwunschs durch einen nicht näher dargestellten Bediener ausgebildet ist. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Bedienhebel 11 derart mit der Schalteranordnung 12 verbunden ist, dass durch eine Schwenkbewegung des Bedienhebels 11 ein Bedienwunsch im Sinne einer Hubbewegung oder einer Absenkbewegung für die Last 2 eingegeben werden kann. Die Schalteranordnung 12 ist über eine Signalleitung 15 mit einer Steuerungseinrichtung 16 verbunden, die nachstehend im Zusammenhang mit der 2 näher beschrieben wird.For example, an input device 10 is arranged on the base plate 5 of the suction pad 3, which purely by way of example comprises an operating lever 11 and a switch arrangement 12 and which is designed for input of an operating request by an operator, not shown in more detail. By way of example, it is provided that the operating lever 11 is connected to the switch arrangement 12 in such a way that an operating request in the sense of a lifting movement or a lowering movement for the load 2 can be entered by a pivoting movement of the operating lever 11. The switch arrangement 12 is connected via a signal line 15 to a control device 16, which will be discussed below in connection with 2 is described in more detail.

Für die Umsetzung des an der Eingabeeinrichtung 10 angegebenen Bedienwunschs in eine Bewegung der Last 2 umfasst der rein exemplarisch als Pneumatikzylinder ausgebildete Fluidaktor 4 ein Zylindergehäuse 17, das auch als erstes Aktorteil bezeichnet werden kann und in dem eine Zylinderausnehmung 18 ausgebildet ist, in der ein Arbeitskolben 19 beweglich aufgenommen ist. Der Arbeitskolben 19 ist hierbei fluiddicht in der Zylinderausnehmung 18 aufgenommen und begrenzt zusammen mit dem Zylindergehäuse 17 einen größenvariablen Arbeitsraum 20.In order to implement the operating request specified on the input device 10 into a movement of the load 2, the fluid actuator 4, which is designed purely as an example as a pneumatic cylinder, comprises a cylinder housing 17, which can also be referred to as the first actuator part and in which a cylinder recess 18 is formed, in which a working piston 19 is movably recorded. The working piston 19 is accommodated in a fluid-tight manner in the cylinder recess 18 and, together with the cylinder housing 17, delimits a variable-size working space 20.

Für eine Verbindung des linearbeweglich gelagerten Arbeitskolbens 19 mit dem Sauggreifer 3 ist eine auch als zweites Aktorteil bezeichnete Kolbenstange 21 vorgesehen, die jeweils am Arbeitskolben 19 und an der Grundplatte 5 des Sauggreifers 3 festgelegt ist und die das Zylindergehäuse 17 abdichtend durchsetzt. Hiermit kann eine lineare Bewegung des Arbeitskolbens 19 längs einer Zylinderachse 14 unmittelbar in eine identische Linearbewegung des Sauggreifers 3 umgesetzt werden. Dem Zylindergehäuse sind ein Fluidanschluss 22, ein Drucksensor 23 sowie ein Positionssensor 24 zugeordnet, wobei am Fluidanschluss 22 eine Fluidleitung 25 angebracht ist, die für eine kommunizierende Verbindung mit einer Ventileinrichtung 26 ausgebildet ist. Der Drucksensor 23 ist über eine Signalleitung 27 mit der Steuerungseinrichtung 16 verbunden, ferner ist der Positionssensor 24 über eine Signalleitung 28 mit der Steuerungseinrichtung 16 verbunden.To connect the linearly movable working piston 19 to the suction pad 3, a piston rod 21, also referred to as a second actuator part, is provided, which is fixed to the working piston 19 and to the base plate 5 of the suction pad 3 and which passes through the cylinder housing 17 in a sealing manner. This allows a linear movement of the working piston 19 along a cylinder axis 14 to be directly converted into an identical linear movement of the suction pad 3. A fluid connection 22, a pressure sensor 23 and a position sensor 24 are assigned to the cylinder housing, with a fluid line 25 being attached to the fluid connection 22, which is designed for a communicating connection with a valve device 26. The pressure sensor 23 is connected to the control device 16 via a signal line 27, and the position sensor 24 is also connected to the control device 16 via a signal line 28.

Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass am Arbeitskolben 19 ein Ringmagnet 29 angeordnet ist, der zur Bereitstellung eines magnetischen Flusses ausgebildet ist, wobei der bereitgestellte magnetische Fluss vom Positionssensor 24 erfasst werden kann und in ein Positionssignal umgesetzt werden kann, das als Analogsignal oder als Digitalsignal über die Signalleitung 28 an die Steuerungseinrichtung 16 übertragen werden kann.Purely as an example, it is provided that a ring magnet 29 is arranged on the working piston 19, which is designed to provide a magnetic flux, wherein the magnetic flux provided can be detected by the position sensor 24 and can be converted into a position signal that can be transmitted to the control device 16 as an analog signal or as a digital signal via the signal line 28.

Der Drucksensor 23 ermittelt den Druck im Arbeitsraum 20 und stellt ein analoges oder digitales elektrisches Signal über die Signalleitung 27 an die Steuerungseinrichtung 16 zur Verfügung.The pressure sensor 23 determines the pressure in the working space 20 and provides an analog or digital electrical signal to the control device 16 via the signal line 27.

Die Ventileinrichtung 26 steht mit der Steuerungseinrichtung 16 über eine Steuerleitung 30 in Verbindung, wobei die Ventileinrichtung 26 eines oder mehrere, nicht mehr dargestellte Proportionalventile, umfassen konnten, um ein von der Steuer Leitung 30 bereitgestelltes Steuersignal in einen Fluidstrom eines Arbeitsfluids, insbesondere Druckluft, umsetzen zu können, um somit eine Beeinflussung eines Arbeitsdrucks im Arbeitsraum 20 zu ermöglichen.The valve device 26 is connected to the control device 16 via a control line 30, wherein the valve device 26 could include one or more proportional valves, no longer shown, in order to convert a control signal provided by the control line 30 into a fluid flow of a working fluid, in particular compressed air to be able to influence a working pressure in the working space 20.

Zu diesem Zweck ist die Ventileinrichtung 26 mit einer Druckluftquelle 31 über eine Anschlussleitung 32 fluidisch kommunizierend verbunden, ferner ist die Ventileinrichtung 26 mit einem Fluidauslass 33 über eine Auslassleitung 34 verbunden, um eine Abfuhr von druckbeaufschlagtem Fluid aus dem Arbeitsraum 20 zu ermöglichen, hierbei ist der Fluidauslass 33 rein exemplarisch mit einem Schalldämpfer versehen.For this purpose, the valve device 26 is fluidly connected to a compressed air source 31 via a connecting line 32, and the valve device 26 is also connected to a fluid outlet 33 via an outlet line 34 in order to enable pressurized fluid to be removed from the working space 20, in this case the Fluid outlet 33 is provided with a silencer purely as an example.

Die Unterdruckquelle 9 ist ebenfalls über die Anschlussleitung 32 mit der Druckluftquelle 31 fluidisch kommunizierend verbunden und umfasst rein exemplarisch neben einem nicht näher dargestellten Steuerventil, das über eine Steuerleitung 35 elektrische mit der Steuerungseinrichtung 16 verbunden ist, einen ebenfalls nicht näher dargestellten Ejektor, um eine Umsetzung der von der Druckluftquelle 31 bereitgestellten Druckluft in einen Unterdruck zu ermöglichen. Der vom nicht näher dargestellten Ejektor erzeugte Unterdruck kann dann über die Fluidleitung 8 an den Sauggreifer 3 bereitgestellt werden.The vacuum source 9 is also fluidly connected to the compressed air source 31 via the connecting line 32 and, purely by way of example, in addition to a control valve (not shown) which is electrically connected to the control device 16 via a control line 35, includes an ejector (also not shown) in order to implement it to enable the compressed air provided by the compressed air source 31 to be converted into a negative pressure. The negative pressure generated by the ejector, not shown, can then be provided to the suction pad 3 via the fluid line 8.

Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Fluidaktor 3 mit seinem Zylindergehäuse 17 an einer auch als Grundkörper bezeichneten Konsole 36 befestigt ist, die ihrerseits, rein exemplarisch in horizontaler Richtung, linearbeweglich an einer Tragschiene 37 aufgenommen ist, so dass eine Verlagerung des Manipulators 1 beispielsweise parallel zu einem nicht dargestellten Bodenbereich eines ebenfalls nicht dargestellten Gebäudes vorgenommen werden kann.By way of example, it is provided that the fluid actuator 3 is attached with its cylinder housing 17 to a console 36, also referred to as a base body, which in turn is accommodated in a linearly movable manner on a mounting rail 37, purely as an example in the horizontal direction, so that a displacement of the manipulator 1, for example, parallel to a floor area, not shown, of a building, also not shown.

Eine Funktionsweise des Manipulators 1 zum Transportieren einer Last 2 kann wie folgt beschrieben werden:

• Beispielhaft ist vorgesehen, eine Last 2 mit Hilfe des Manipulator 1 von einem ersten Lagerort zu einem zweiten Lagerort zu transportieren, wobei der erste Lagerort und der zweite Lagerort derart angeordnet sind, dass die Last 2 am ersten Lagerort mit Hilfe des Manipulators 1 in vertikaler Richtung angehoben werden kann und im Zuge einer linearen Bewegung längs der Tragschiene 37 an den zweiten Lagerort transportiert werden kann. Hierzu wird in einem ersten Schritt von einem nicht näher dargestellten Bediener der Manipulator 1 derart über der Last 2 angeordnet, dass der Sauggreifer 3 oberhalb einer nicht näher bezeichneten Oberfläche der Last 2 angeordnet ist. In einem darauffolgenden Schritt kann der Bediener durch Eingabe eines Bedienwunsches an der Eingabeeinrichtung 10 eine Absenkbewegung des Sauggreifers 3 anfordern. Hierzu kann beispielhaft vorgesehen sein, dass der Bediener den Bedienhebel 11 gemäß der Darstellung der 1 gegen den Uhrzeigersinn nach unten verschwenkt, wodurch die Schalteranordnung 12 angesteuert wird und der eingeleitete Bedienwunsch als elektrisches Signal über die Signalleitung 15 an die Steuerungseinrichtung 16 weitergeleitet wird. In der Steuerungseinrichtung 16 erfolgt eine Erfassung des Bedienwunsches sowie eine Ansteuerung der Ventileinrichtung 26, um im Arbeitsraum 20 eine Reduzierung des dort vorliegenden Drucks des Arbeitsfluids zu bewirken und dadurch aufgrund der Gewichtskraft des Arbeitskolbens 19, der Kolbenstange 21 und des Saugreifers 3 die gewünschte Absenkbewegung für den Sauggreifer 3 zu bewirken, bis dieser mit den Saugnapf 6 an der Oberfläche der Last 2 anliegt.

A mode of operation of the manipulator 1 for transporting a load 2 can be described as follows:

• By way of example, it is provided to transport a load 2 from a first storage location to a second storage location with the aid of the manipulator 1, the first storage location and the second storage location being arranged in such a way that the load 2 is at the first storage location with the aid of the manipulator 1 in the vertical direction can be lifted and transported to the second storage location in the course of a linear movement along the support rail 37. For this purpose, in a first step, the manipulator 1 is arranged above the load 2 by an operator (not shown) in such a way that the suction gripper 3 is arranged above an unspecified surface of the load 2. In a subsequent step, the operator can request a lowering movement of the suction gripper 3 by entering an operating request on the input device 10. For this purpose, it can be provided, for example, that the operator controls the operating lever 11 as shown in FIG 1 pivoted downwards counterclockwise, whereby the switch arrangement 12 is activated and the initiated operating request is forwarded as an electrical signal via the signal line 15 to the control device 16. In the control device 16, the operating request is detected and the valve device 26 is activated in order to bring about a reduction in the pressure of the working fluid present there in the working space 20 and thereby achieve the desired lowering movement due to the weight of the working piston 19, the piston rod 21 and the suction cup 3 the suction cup 3 until it rests with the suction cup 6 on the surface of the load 2.

Ferner kann mit der Eingabe des Bedienwunsches an der Eingabeweinrichtung 10 auch eine Aktivierung der Unterdruckquelle 9 durch die Steuerungseinrichtung 16 vorgenommen werden, so dass der Saugnapf 6 beim Auftreffen auf die Oberfläche der Last 2 an der Last 2 angehaftet wird und somit eine lösbare Kopplung zwischen dem Sauggreifer 3 und der Last 2 vorliegt.Furthermore, by entering the operating request on the input device 10, the vacuum source 9 can also be activated by the control device 16, so that the suction cup 6 is adhered to the load 2 when it hits the surface of the load 2 and thus a releasable coupling between the Suction pad 3 and the load 2 are present.

Bei einer darauf folgenden weiteren Eingabe eines Bedienwunsches an der Eingabeeinrichtung 10, beispielsweise durch Einleiten einer Schwenkbewegung, gemäß der Darstellung der 1 im Uhrzeigersinn, auf den Bedienhebel 11 kann ein Bediener ein Anheben der Last 2 durch den Manipulator 1 bewirken. Hierzu wird von der Schalteranordnung 12 über die Signalleitung 15 ein entsprechendes Steuersignal an die Steuerungseinrichtung 16 bereitgestellt, so dass diese durch gezielte Ansteuerung der Ventileinrichtung 26 eine Erhöhung des Drucks für das Arbeitsfluid im Arbeitsraum 20 bewirkt und dadurch eine lineare Verlagerung des Arbeitskolbens 19 sowie des Sauggreifers 3 bewirken kann.When a subsequent further input of an operating request is made to the input device 10, for example by initiating a pivoting movement, as shown in FIG 1 clockwise, on the operating lever 11 an operator can cause the load 2 to be lifted by the manipulator 1. For this purpose, a corresponding control signal is provided by the switch arrangement 12 via the signal line 15 to the control device 16, so that this can be controlled by targeted control the valve device 26 causes an increase in the pressure for the working fluid in the working space 20 and can thereby cause a linear displacement of the working piston 19 and the suction pad 3.

Sobald die Last 2 durch den Manipulator 1 angehoben wurde, kann eine Verlagerung der Last 2 längs der Erstreckung der Tragschiene 37 durchgeführt werden, um die Last 2 anschließend durch neuerliche Eingabe eines Bedienwunsches an der Eingabeeinrichtung 10 an einem neuen Lagerort wieder abzusenken, wobei die Absenkbewegung durch Reduzierung des Drucks des Arbeitsfluids im Arbeitsraum 20 durchgeführt wird.As soon as the load 2 has been raised by the manipulator 1, the load 2 can be shifted along the extension of the mounting rail 37 in order to then lower the load 2 again at a new storage location by entering an operating request again on the input device 10, the lowering movement by reducing the pressure of the working fluid in the working space 20.

Prinzipiell wäre es möglich, den an der Eingabeeinrichtung 10 eingegebenen Bedienwunsch für eine Hubbewegung oder eine Absenkbewegung durch eine direkte Kopplung der Eingabeeinrichtung 10 mit der Ventileinrichtung 26 unter Auslassung der Steuerungseinrichtung 16 durchzuführen. Hierbei würde sich jedoch die Problemstellung ergeben, dass der Bediener eine sehr feinfühlige Eingabe seines Bedienwunsches vornehmen müsste, um ein zu abruptes Anheben oder Absenken der Last zu vermeiden.In principle, it would be possible to carry out the operating request entered on the input device 10 for a lifting movement or a lowering movement by directly coupling the input device 10 with the valve device 26, omitting the control device 16. However, the problem would arise here that the operator would have to enter his operating request very sensitively in order to avoid the load being raised or lowered too abruptly.

Um hingegen eine komfortable und sichere Bedienung für den Manipulator 1 zu gewährleisten, ist vorgesehen, den an der Eingabeeinrichtung 10 eingegebenen Bedienwunsch in der Steuerungseinrichtung 16 in nachstehend näher beschriebener Weise zu verarbeiten und als Ergebnis dieser Verarbeitung die Ansteuerung der Ventileinrichtung 26 vorzunehmen. Somit erfordert der Manipulator 1 keine besondere Aufmerksamkeit des Bedieners für den Transportvorgang der Last 2, womit auch eine sichere Handhabung der Last 2 unterstützt wird, da sich der Bediener beispielsweise auf eine Kollisionsvermeidung für die Last 2 konzentrieren kannIn order, however, to ensure comfortable and safe operation for the manipulator 1, it is provided that the operating request entered on the input device 10 is processed in the control device 16 in a manner described in more detail below and that the valve device 26 is activated as a result of this processing. Thus, the manipulator 1 does not require any special attention from the operator for the transport process of the load 2, which also supports safe handling of the load 2, since the operator can concentrate, for example, on avoiding collisions for the load 2

Um diese komfortable und sichere Durchführung des Hubvorgangs und des Absenkvorgangs gewährleisten zu können, ist die Steuerungseinrichtung 16 wie in der 2 rein schematisch dargestellt konfiguriert:

• Die Steuerungseinrichtung 16 umfasst rein exemplarisch einen ersten Eingangsanschluss 40, der über die Signalleitung 15 mit der Eingabeeinrichtung 10 verbunden ist, einen zweiten Eingangsanschluss 41, der über die Signalleitung 27 mit dem Drucksensor 23 verbunden ist, einen dritten Eingangsanschluss 42, der über die Signalleitung 28 mit den Positionssensor 24 verbunden ist, sowie einen Ausgangsanschluss 43, der über die Steuerleitung 30 mit der Ventilanordnung 26 verbunden ist.

In order to be able to ensure this comfortable and safe implementation of the lifting process and the lowering process, the control device 16 is as in the 2 purely schematically configured:

• The control device 16 comprises, purely by way of example, a first input connection 40, which is connected to the input device 10 via the signal line 15, a second input connection 41, which is connected to the pressure sensor 23 via the signal line 27, a third input connection 42, which is connected via the signal line 28 is connected to the position sensor 24, and an output connection 43, which is connected to the valve arrangement 26 via the control line 30.

Rein exemplarisch wird davon ausgegangen, dass die an den Eingangsanschlüssen 40 bis 42 eintreffenden Eingangssignale sowie das am Ausgangsanschluss 43 bereitgestellte Steuersignal jeweils als elektrische Signale vorliegen.Purely as an example, it is assumed that the input signals arriving at the input connections 40 to 42 and the control signal provided at the output connection 43 are each present as electrical signals.

Die Steuerungseinrichtung 16 kann für eine Verarbeitung der Eingangssignale und die Ausgabe des Steuersignals beispielsweise einen nicht näher dargestellten Mikroprozessor umfassen. Auf diesen Mikroprozessor kann eine Software aufgespielt sein, die die eintreffenden Eingangssignale verarbeitet und hier raus ein Steuersignal erzeugt, das am Ausgangsanschluss 43 bereitgestellt wird.The control device 16 can, for example, comprise a microprocessor (not shown) for processing the input signals and outputting the control signal. Software can be installed on this microprocessor, which processes the incoming input signals and generates a control signal that is provided at the output connection 43.

Die schematische Darstellung gemäß der 2 zielt auf die Systematik der Verarbeitung der Eingangssignale ab und gibt damit die wesentlichen Funktionen der Software (Programmierung) des Mikroprozessors wieder.The schematic representation according to the 2 aims at the systematics of processing the input signals and thus reflects the essential functions of the software (programming) of the microprocessor.

Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung 16 drei Funktionsblöcke 44, 45,46 umfasst, die für die Signalverarbeitung untereinander verknüpft sind, um die gewünschte Ermittlung und Ausgabe eines Steuersignals für die Ventileinrichtung 26 zu ermöglichen.By way of example, it is provided that the control device 16 comprises three function blocks 44, 45, 46, which are linked to one another for signal processing in order to enable the desired determination and output of a control signal for the valve device 26.

Rein exemplarisch ist der erste Funktionsblock 44 für eine Simulation des Verhaltens des Manipulators 1 ausgebildet und ermöglicht die Ausgabe eines geschätzten Positionswerts x-est (x-estimate) .Purely as an example, the first function block 44 is designed to simulate the behavior of the manipulator 1 and enables the output of an estimated position value x-est (x-estimate).

Der zweite Funktionsblock 45 ist zur Korrektur einer Schätzung für eine Masse der Last 2 ausgebildet und zur Ausgabe eines geschätzten Massewerts m-est (m-estimate) ausgebildet.The second functional block 45 is designed to correct an estimate for a mass of the load 2 and is designed to output an estimated mass value m-est (m-estimate).

Der dritte Funktionsblock 46 ist für eine Regelung des Drucks im Arbeitsraum 20 und zur Ausgabe eines Steuersignals p-soll (p-Sollwert) vorgesehen, das in der Ventileinrichtung 26 in eine entsprechende Ventilstellung umgesetzt wird, um den angeforderten Druck im Arbeitsraum 20 bereitzustellen.The third functional block 46 is intended for regulating the pressure in the working space 20 and for outputting a control signal p-setpoint (p-setpoint value), which is converted into a corresponding valve position in the valve device 26 in order to provide the requested pressure in the working space 20.

Auf Basis der vorstehenden Beschreibung für die Funktionsweise des Manipulator 1 kann die Signalverarbeitung in der Steuerungseinrichtung 16 wie folgt beschrieben werden:

• Ein vom Bediener an der Eingabeeinrichtung 10 eingegebener Bedienwunsch trifft als Eingangssignal S-d (S-desired) der Eingabeeinrichtung 10 am Eingangsanschluss 40 ein und wird dem Funktionsblock 46 zugeleitet. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Bedienwunsch daraufhin abzielt, die Last 2, die beispielsweise noch nicht angehoben ist, in einem nachfolgenden Schritt anzuheben. Hierzu wird vom Funktionsblock 46 ein Steuersignal an den Ausgangsanschluss 43 bereitgestellt, um eine Ansteuerung der Ventileinrichtung 26 zu bewirken. Da zu diesem Zeitpunkt keine Informationen über die Masse der anzuhebenden Last 2 vorliegen, wird beispielhaft auf einen in der Steuerungseinrichtung 16 gespeicherten Massewert zurückgegriffen, um das Steuersignal zu ermitteln, mit dem die Druckänderung im Arbeitsraum 20 vorgegeben wird.

Based on the above description of the functionality of the manipulator 1, the signal processing in the control device 16 can be described as follows:

• An operating request entered by the operator at the input device 10 arrives as an input signal Sd (S-desired) of the input device 10 at the input connection 40 and is fed to the function block 46. By way of example, it is provided that the operating request aims to raise the load 2, which has not yet been raised, for example, in a subsequent step. For this purpose, the function block 46 provides a control signal to the output connection 43 in order to control the valve Til device 26 to effect. Since there is no information about the mass of the load 2 to be lifted at this point in time, a mass value stored in the control device 16 is used, for example, in order to determine the control signal with which the pressure change in the working space 20 is specified.

Mit der Erhöhung des Drucks im Arbeitsraum 20 steigt ein vom Drucksensor 23 ermittelter Betrag eines Drucksignals an, das am Eingangsanschluss 41 bereitgestellt wird. Das eintreffende Drucksignal p-r (p-real) wird für die weitere Verarbeitung in der Steuerungseinrichtung 16 mit einem Korrekturfaktor k1 multipliziert, um unter Einbeziehung von Systemparametern wie beispielsweise einer im Arbeitsraum 20 wirksamen Kolbenfläche des Arbeitskolbens 19 eine tatsächlich wirkende Kraft F-r (F-real) zu berechnen. Von der tatsächlich wirkenden Kraft F-r wird eine angenommene Gewichtskraft F-est (F-estimate) abgezogen, die in nachstehend näher beschriebener Weise ermittelt wird.As the pressure in the working space 20 increases, an amount of a pressure signal determined by the pressure sensor 23 and provided at the input connection 41 increases. The incoming pressure signal p-r (p-real) is multiplied by a correction factor k1 for further processing in the control device 16 in order to obtain an actually acting force F-r (F-real), taking into account system parameters such as a piston surface of the working piston 19 effective in the working space 20. to calculate. An assumed weight force F-est (F-estimate) is subtracted from the actually acting force F-r, which is determined in a manner described in more detail below.

Die aus dieser Differenzbildung ermittelte resultierende Kraft F-diff (F-differenz) wird dem Funktionsblock 44 zugeführt, in dem eine Simulation für ein Bewegungsverhalten des Manipulators 1 hinterlegt ist. Diese Simulation ermöglicht unter Einbeziehung der resultierenden Kraft F-r eine Schätzung für eine Positionsveränderung x-est (x-estimate) des Sauggreifers 3 längs der Zylinderachse 14. Die geschätzte Positionsveränderung x-est wird von einer tatsächlichen Position x-r (x-real), die als Eingangssignal des Positionsensors 24 am Eingangsanschluss 42 bereitgestellt wird, abgezogen und als Positionsfehler x-diff (x-differenz) dem Funktionsblock 45 zur Korrektur der angenommenen Masse zugeführt.The resulting force F-diff (F-difference) determined from this difference formation is fed to the function block 44, in which a simulation for a movement behavior of the manipulator 1 is stored. This simulation, taking into account the resulting force F-r, enables an estimate for a change in position x-est (x-estimate) of the suction pad 3 along the cylinder axis 14. The estimated change in position x-est is based on an actual position x-r (x-real), which is as Input signal of the position sensor 24 is provided at the input connection 42, subtracted and fed as a position error x-diff (x-difference) to the function block 45 for correcting the assumed mass.

Liegt beispielsweise ein Positionsfehler x-diff vor, der darauf hinweist, dass die angenommene Masse für die Last 2 kleiner als die tatsächliche Masse der Last 2 ist, so erfolgt im Funktionsblock 45 eine Vergrößerung eines Betrags für die angenommene Masse der Last 2. Der korrigierte Wert m-est (m-estimate) für die angenommene Masse wird zum einen an den Funktionsblock 46 bereitgestellt und wird zum anderen nach Multiplikation mit der Erdbeschleunigung g der vorstehend beschriebenen Differenzbildung mit der tatsächlichen Kraft F-p zugeführt.For example, if there is a position error x-diff, which indicates that the assumed mass for the load 2 is smaller than the actual mass of the load 2, an amount for the assumed mass of the load 2 is increased in function block 45. The corrected Value m-est (m-estimate) for the assumed mass is, on the one hand, provided to the function block 46 and, on the other hand, is fed to the above-described difference formation with the actual force F-p after multiplication by the gravitational acceleration g.

Durch diese Vorgehensweise in der Steuerungseinrichtung 16 kann somit in einem Annäherungsverfahren unter Einbeziehung der Drucksignale des Drucksensors 23 und der Positionssignale des Positionssensors 24 eine Bestimmung der Masse der Last 2 vorgenommen werden, ohne dass hierfür eine unmittelbare Messung der Masse der Last 2 erforderlich ist. Dementsprechend kann der Manipulator 1 ohne eine Lastmesszelle oder Wägezelle betrieben werden.Through this procedure in the control device 16, a determination of the mass of the load 2 can be carried out in an approximation method taking into account the pressure signals of the pressure sensor 23 and the position signals of the position sensor 24, without the need for a direct measurement of the mass of the load 2. Accordingly, the manipulator 1 can be operated without a load measuring cell or load cell.

Vielmehr bilden der Funktionsblock 44 mit der Simulation des Bewegungsverhaltens des Manipulators und der Funktionsblock 45 mit der Korrektur der angenommenen Masse ein Beobachtersystem, mit dessen Hilfe die Masse der Last 2 rein auf Basis von mathematischen Algorithmen effizient und präzise ermittelt werden kann, womit eine vorteilhafte Bereitstellung von Steuersignalen am Ausgangsanschluss 43 zur Ansteuerung der Ventileinrichtung 26 vorgenommen werden kann.Rather, the function block 44 with the simulation of the movement behavior of the manipulator and the function block 45 with the correction of the assumed mass form an observer system with the help of which the mass of the load 2 can be determined efficiently and precisely purely on the basis of mathematical algorithms, thus providing an advantageous provision of control signals at the output connection 43 to control the valve device 26 can be carried out.

Claims (8)

Manipulator (1) zur Unterstützung einer manuellen Bewegung einer Last (2), mit einem Grundkörper (36), mit einer Lastaufnahmeeinrichtung (3) zur Aufnahme der Last (2), die beweglich mit dem Grundkörper (36) verbunden ist, mit einem Fluidaktor (4) zur Einleitung einer Relativbewegung zwischen Grundkörper (36) und Lastaufnahmeeinrichtung (3), der ein erstes, mit dem Grundkörper (36) verbundenes Aktorteil (17) und ein zweites, mit der Lastaufnahmeeinrichtung (3) verbundenes Aktorteil (21) umfasst, wobei das erste Aktorteil (17) und das zweite Aktorteil (21) relativbeweglich miteinander verbunden sind und einen größenvariablen Arbeitsraum (20) begrenzen, der mit einem Arbeitsfluid beaufschlagbar ist, mit einer Positionssensoreinrichtung (24) zur Erfassung einer Relativposition des zweiten Aktorteils (21) gegenüber dem ersten Aktorteil (17), mit einem Drucksensor (23) zur Erfassung eines Drucks im Arbeitsraum (20), mit einer Eingabeeinrichtung (10) zur Erfassung eines Bedienwunschs eines Bedieners, mit einer Steuerungseinrichtung (16) zur Bereitstellung eines Steuersignals an eine Ventileinrichtung (26) sowie mit einer Ventileinrichtung (26), die zur Bereitstellung eines Arbeitsfluids an den Arbeitsraum (20) in Abhängigkeit von dem Steuersignal ausgebildet ist, wobei die Steuerungseinrichtung (16) für eine Ermittlung des Steuersignals in Abhängigkeit von dem Bediensignal der Eingabeeinrichtung (10) und dem Positionssignal der Positionssensoreinrichtung (24) und dem Drucksignal des Drucksensors (23) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (16) für eine Berechnung einer Masse einer an der Lastaufnahmeeinrichtung (3) aufgenommenen Last (2) aus dem Positionssignal und dem Drucksignal sowie für eine Berücksichtigung der berechneten Masse bei der Ermittlung des Steuersignals ausgebildet ist.Manipulator (1) for supporting a manual movement of a load (2), with a base body (36), with a load-receiving device (3) for receiving the load (2), which is movably connected to the base body (36), with a fluid actuator (4) for initiating a relative movement between the base body (36) and the load-carrying device (3), which comprises a first actuator part (17) connected to the base body (36) and a second actuator part (21) connected to the load-carrying device (3), wherein the first actuator part (17) and the second actuator part (21) are connected to one another in a relatively movable manner and delimit a variable-size working space (20) which can be acted upon by a working fluid, with a position sensor device (24) for detecting a relative position of the second actuator part (21) opposite the first actuator part (17), with a pressure sensor (23) for detecting a pressure in the working space (20), with an input device (10) for detecting an operator's operating request, with a control device (16) for providing a control signal to a valve device (26) and with a valve device (26) which is designed to provide a working fluid to the working space (20) depending on the control signal, the control device (16) being used to determine the control signal depending on the operating signal of the input device (10 ) and the position signal of the position sensor device (24) and the pressure signal of the pressure sensor (23), characterized in that the control device (16) for calculating a mass of a load (2) picked up on the load receiving device (3) from the position signal and the pressure signal and is designed to take the calculated mass into account when determining the control signal. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionssensoreinrichtung (24) einen ersten Positionssensor zur Bereitstellung eines ersten Positionssignals und einen zweiten Positionssensor zur Bereitstellung eines zweiten Positionssignals umfasst und dass die Positionssensoreinrichtung (24) oder die Steuerungseinrichtung (16) zur Verarbeitung des ersten und zweiten Positionssignals zum Positionssignal ausgebildet ist.Manipulator after Claim 1 , characterized in that the position sensor device (24) has a first position sensor for providing a first position signal and a second position sensor for providing a second position signal and that the position sensor device (24) or the control device (16) is designed to process the first and second position signals into a position signal. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (16) für einen Abgleich eines anhand des Positionssignals und des Drucksignals simulierten Bewegungsverhaltens der Last (2) mit einem anhand des Positionssignals und des Drucksignals ermittelten tatsächlichen Bewegungsverhaltens der Last (2) zur Ermittlung einer Masse der an der Lastaufnahmeeinrichtung (3) aufgenommenen Last (2) ausgebildet ist.Manipulator after Claim 1 , characterized in that the control device (16) is used to compare a movement behavior of the load (2) simulated based on the position signal and the pressure signal with an actual movement behavior of the load (2) determined based on the position signal and the pressure signal to determine a mass of the load (2). Load receiving device (3) is designed to accommodate the load (2). Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (16) für eine interne Ermittlung der Masse der an der Lastaufnahmeeinrichtung (3) aufgenommenen Last (2) ohne Einbeziehung eines Lastsignals einer Lastmesszelle ausgebildet ist.Manipulator according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (16) is designed for an internal determination of the mass of the load (2) picked up on the load-carrying device (3) without incorporating a load signal from a load measuring cell. Verfahren zum Betreiben eines Manipulators (1) zum Bewegen einer Last (2), mit den Schritten: Erfassen eines Bedienwunschs eines Bedieners mit einer Eingabeeinrichtung (10) und Bereitstellung eines Bediensignals an eine Steuerungseinrichtung (16), Ermitteln eines Arbeitsdrucks für ein Arbeitsfluid in einem Arbeitsraum (20) eines Fluidaktors (4) anhand eines Drucksignals eines dem Fluidaktor (4) zugeordneten Drucksensors (23) und Ermitteln einer Relativposition eines zweiten Aktorteils (21) des Fluidaktors (4) gegenüber einem ersten Aktorteil (17) des Fluidaktors (4) anhand eines Positionssignals eines dem Fluidaktor (4) zugeordneten Positionssensoreinrichtung (24), Verändern des Arbeitsdrucks im Arbeitsraum (20) in Abhängigkeit von dem Bediensignal durch Ansteuern einer Ventileinrichtung (26) mit einem von der Steuerungseinrichtung (16) bereitgestellten Steuersignal, so dass eine Positionsveränderung einer Last (2), die an einer vom Fluidaktor (4) bewegbaren Lastaufnahmeeinrichtung (3) aufgenommen ist, zum Bediensignal korrespondiert, wobei die Steuerungseinrichtung (16) das Steuersignal in Abhängigkeit von dem Bediensignal und dem Drucksignal und dem Positionssignal ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuerungseinrichtung (16) für eine Ermittlung des Steuersignals eine Massenberechnung für eine an der Lastaufnahmeeinrichtung (3) aufgenommenen Last (2) vorgenommen wird, indem anhand des Positionssignals und des Drucksignals eine Simulation eines Bewegungsverhaltens der Last (2) mit einem anhand des Positionssignals und des Drucksignals ermittelten tatsächlichen Bewegungsverhalten verglichen wird.Method for operating a manipulator (1) for moving a load (2), with the steps: detecting an operator's operating request with an input device (10) and providing an operating signal to a control device (16), determining a working pressure for a working fluid in a Working space (20) of a fluid actuator (4) based on a pressure signal from a pressure sensor (23) assigned to the fluid actuator (4) and determining a relative position of a second actuator part (21) of the fluid actuator (4) relative to a first actuator part (17) of the fluid actuator (4) based on a position signal from a position sensor device (24) assigned to the fluid actuator (4), changing the working pressure in the working space (20) depending on the operating signal by controlling a valve device (26) with a control signal provided by the control device (16), so that a change in position a load (2), which is held on a load-receiving device (3) movable by the fluid actuator (4), corresponds to the operating signal, the control device (16) determining the control signal as a function of the operating signal and the pressure signal and the position signal, characterized in that in that a mass calculation for a load (2) picked up on the load-carrying device (3) is carried out in the control device (16) to determine the control signal, by using the position signal and the pressure signal to simulate a movement behavior of the load (2) with one based on the The actual movement behavior determined by the position signal and the pressure signal is compared. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Positionssensoreinrichtung (24) oder in der Steuerungseinrichtung (16) eine erste Verarbeitung eines ersten Positionssignals eines ersten Positionssensors und eine zweite Verarbeitung eines zweiten Positionssignals eines zweiten Positionssensors erfolgt und wobei die Steuerungseinrichtung (16) zur Verarbeitung des aus dem ersten und dem zweiten Positionssignal zu einem gemeinsamen Positionssignal ausgebildet ist.Procedure according to Claim 5 , characterized in that in the position sensor device (24) or in the control device (16) a first processing of a first position signal from a first position sensor and a second processing of a second position signal from a second position sensor take place and wherein the control device (16) is used to process the from the The first and second position signals are formed into a common position signal. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (16) das Steuersignal ohne Einbeziehung eines Lastsignals in Abhängigkeit von dem Bediensignal und dem Drucksignal und dem Positionssignal ermittelt.Procedure according to Claim 5 or 6 , characterized in that the control device (16) determines the control signal without including a load signal as a function of the operating signal and the pressure signal and the position signal. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (16) die Masse der an der Lastaufnahmeeinrichtung (3) aufgenommenen Last (2) ausschließlich intern, insbesondere ohne Einbeziehung eines Lastsignals einer Lastmesszelle, ermittelt.Procedure according to Claim 5 , 6 or 7 , characterized in that the control device (16) determines the mass of the load (2) picked up on the load receiving device (3) exclusively internally, in particular without including a load signal from a load measuring cell.

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