DE2402829A1

DE2402829A1 - Industrie-manipulator

Info

Publication number: DE2402829A1
Application number: DE2402829A
Authority: DE
Inventors: Takehiko Ono; Nobuo Taguchi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1973-01-25
Filing date: 1974-01-22
Publication date: 1974-08-01
Also published as: US3906323A; JPS5425300B2; GB1441999A; JPS4996452A; IT1004786B; DE2402829C3; DE2402829B2

Description

PATENTANWÄLTE F.W . H EM M E R ICH · G E R D M Ü L L E R · D . G R O SSL 72 029

- bli -

8.1

Tokyo Shibaura Electric Company Limited, 72 Horikawa-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa-ken (Japan)

Industrie-Manipulator

Gegenstand dieser Erfindung ist ein Industrie-Manipulator mit mehreren beweglichen Konstruktionselementen.

Industrie-Manipulatoren, die die Hände des Menschen zu ersetzen haben und dabei dennoch die kompliziertesten Bewegungsabläufe durchführen können, sind bereits entwickelt worden. Bei derartigen Industrie-Manipulatoren müssen mehrere bewegliche Elemente, die zu diesen Manipulatoren gehören, zur Durchführung von Arbeiten gesteuert und geregelt werden„ Was die mechanische Ausführung dieser Manipulatoren betrifft, so ist eine einfache Konstruktion vorzuziehen. Eine einfache Konstruktion wird jedoch dadurch erkauft, daß die Inbetriebnahme eines der beweglichen Konstruktionselemente dazu führt, daß sich ein oder mehrere der anderen beweglichen Konstruktionselemente in einer unerwünschten Weise verhalten. Damit aber ist es erforderlich, diese beweglichen Konstruktionselemente so zu steuern und zu regeln, daß das vorerwähnte unerwünschte Verhalten oder die vorerwähnte unerwünschte Bewegung kompensiert werden.

Ziel dieser Erfindung ist somit die Schaffung eines Industrie-Manipulators mit einer in der Konstruktion einfachen Steuerungs-und Regelungsvorrichtung, die in der Lage ist, unerwünschte Bewegungsabläufe von beweglichen Konstruktionselementen des Manipulators im Ansprechen auf die gewünschte Bewegung eines anderen beweglichen Konstruktionselementes dieses Manipulators zu kompensieren. . '

Zu einem Industrie-Manipulator dieser Erfindung gehören mehrere bewegliche Konstruktionselemente. Diese beweglichen

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8.1_Ο

Konstruktionselemente werden jeweils durch einen eigenen Stellantrieb, der mechanisch mit dem jeweiligen Konstruktionselement verbunden ist, bewegt und in die entsprechende Position gefahren. Nun sind aber die mechanischen Verbindungen zu den beweglichen Konstruktionselement en miteinander verbunden und miteinander verriegelt, so daß bei Inbetriebnahme von mindestens einem der Stellantriebe einmal die gewünschte Bewegung des mit diesem Stellantrieb verbundenen beweglichen Konstruktionselementes herbeigeführt wird, zu anderen aber auch eine nicht gewünschte Bewegung von einem der anderen beweglichen Konstruktionselemente. Die Stellantriebe werden jeweils über separate oder eigene Regelkreise gesteuert und geregelt, wobei das während des Steuerungs-und Regelungsvorganges erzeugte Fehlersignal für die Differenz oder die Abweichung zwischen Istposition und Sollposition des vorerwähnten einen beweglichen Konstruktionselementes steht und dem Stellantrieb dieses Konstruktionselementes zum Steuern- und Regeln dieses Konstruktionselements aufgeschaltet wird, ebenfalls eine Komponente des Steuerungssignales ist, das dem Stellantrieb des beweglichen Konstruktionselementes oder eines jeden der beweglichen Konstruktionselemente aufgeschaltet wird, welches durch den BewegungsVorgang des vorerwähnten einen Konstruktionselementes beeinträchtigt wird, und zwar derart, daß dadurch die unerwünschte Bewegung dieses Elementes verhindert oder rückgängig gemacht wird.

Diese Erfindung wird nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:-

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NACHCEREiCS-IT

Fig. 1 Eine schematisch Seitenansicht von einem Teil eines Industrie-Manipulators dieser Erfindung.

Fig. 2 Eine Draufsicht auf einen Teil des mit Fig. wiedergegebenen Industrie-Manipulators.

Fig. 3 Ein Blockschaltbild der elektronischen Regelkreise für den mit Fig. 1 und Fig. 2 wiedergegebenen Industrie-Manipulator.

Fig. 4 Jeweils Funktionsdiagramme, die den Funk-

und 5

tionsablauf des mit Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Industrie-Manipulators erkennen lassen.

Wie aus Fig. 1 _zu erkennen ist, ist auf die zum Industrie-Manipulator gehörende Säule 12 sin Armgestell oder eine Schwenkvorrichtung 13 derart aufgesetzt, daß es/sie sich schwenkend um ein Achse 11 bewegen kann. In der Armhalterung 13 angeordnet ist ein Arm l4, und zwar derart, daß er herausgefahren und eingezogen werden kann. Die auf das Ende des Armes Ik aufgesetzte Handbasis 15 kann sich um die Längsachse des Armes Ik drehen, wobei ein Handgelenk-Element Iß derart mit der Handbasis 15 verbunden ist, daß es sich schwenkend um eine Achse 17 bewegen kann. Auf dem Gelenk 16 sitzt wiederum die Fingerbasis 18, die sich um die Längsachse dieses Handgelenk-Elementes drehen kann. Auf die Fingerbasis 18 aufgesetzt werden können -(dies ist nicht dargestellt)- geeignete Vorrichtungen zur Durchführung von Bearbeitungsvorgängen, beispielsweise ein Schweißelektrodenpaar.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Handbasis 15 mit dem

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einen Ende einer zylindrischen Welle 21 verbunden, während auf das andere Ende dieser Welle ein Zahnrad 22 aufgesetzt ist. Dieses Zahnrad 22 greift in ein Zahnrad 23 ein, das gleitend auf einer Keilwelle 24 sitzt, wobei diese Keilwelle 24 mit einem Stellantrieb 25 in V erb indung s t eht.

Mit dem Gelenk 16 verbunden ist ein Kegelrad 31> das in ein weiteres Kegelrad 32 eingreift, welches auf einer Welle mit dem Zahnrad 33 sitzt. Dieses Zahnrad 33 kämmt mit einem Zahnrad 3^» das auf einer zylindrischen Hohlwelle 35 sitzt, die innerhalb der Welle 21 koaxial zu dieser Welle 21 angeordnet ist. Ein auf das andere Ende dieser Hohlwelle 35 aufgesetztes Zahnrad 36 kämmt mit einem Zahnrad 37» das gleitend auf einer Keilwelle

38 sitzt, die ihrerseits wiederum mit einem Stellantrieb

39 in Verbindung steht.

Die Fingerbasis 18 sitzt auf einer mit einem Kegelrad 4l versehenen Welle, wobei das Kegelrad 41 in ein weiteres Kegelrad 42 eingreift, das auf einer Welle mit einem Kegelrad 43 sitzt. Dieses Kegelrad 43 kämmt mit einem Kegelrad 44 auf einer Welle mit einem Siim rad 45, welches seinerseits wiederum in ein Zahnrad 46 eingreift, das auf einer koaxial zur Welle 35 angeordneten zylindrischen Hohlwelle 47 aufgesetzt ist. Eine Welle 48 ist derart mit der Innenwandung der Welle 47 durch Verzahnung verbunden, daß sie dazu sich in Längsrichtung gleitend bewegen kann. Diese Welle 48 steht mit einem Stellantrieb 49 in Verbindung. Die Drehwinkelposition der Stellantriebe 25, 49 und 39 wird jeweils durch die Positionsmeßfühler 250, 490 und 390 gemessen

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und aufgenommen. Nachstehend soll nun die Arbeitsweise oder die Funktion dieses Manipulators beschrieben werden. ¥ird - wie dies aus der rechten Seite von Fig.2 hervorgeht und mit dem Pfeil f gekennzeichnet ist der Fingerantrieb 49 nach rechts gedreht, dann drehen sich auch die Finger 18 nach rechts,(und zwar von der rechten Seite von Fig. 2 aus betrachtet). Dies ist mit dem Pfeil Ff gekennzeichnet. Die Handbasis 15 und das Gelenk l6 werden durch diesen Vorgang nicht beeinflußt und bleiben deshalb auch beim Arbeiten des Finger-Stellantriebes 49 unbeweglich.

¥ird - dies ist mit dem Pfeil w gekennzeichnet - der Handgelenk-Stellantrieb 39 bei stillstehenden Stellantrieben 25 und 49 für die Hand und die Finger zu einer Linksdrehung veranlaßt, dann schwenkt.das Handgelenk 16 in der (mit Fig. 1 durch den Pfeil ¥w gekennzeichneten Weise) nach oben. Gleichzeitig damit wird aber auch die Fingerbasis 18 zu einer Linksdrehung in Richtung des Pfeiles Fw veranlaßt, weil sich das im Gelenk l6 befindliche Zahnrad 4l zusammen mit dem Gelenk l6 dreht, während das Zahnrad 42, das über eine Zahnradübersetzung mit dem Finger-Stellantrieb in Verbindung steht, stationär bleibt. Diese Bewegung der Fingerbasis 18 ist eine unerwünschte Bewegung in diesem Falle.

Wird - dies ist mit dem Pfeil h gekennzeichnet - der Hand-Stellantrieb bei stillstehenden Stellantrieben 39 und 49 für Handgelenk und Finger zu einer Linksdrehung veranlaßt, dann führt dies bei der Handbasis 15 in der mit Pfeil Hh gekennzeichneten Weise zu einer- Rechtsdrehung. Gleichzeitig wird -wie dies mit Pfeil Wh kenntlich

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gemacht ist - das Handgelenk l6 deswegen nach unten geschwenkt, weil das zur Handbasis 15 gehörende Zahnrad 33 sich dreht, das Zahnrad Jk aber nicht. Damit aber führt eine Betätigung der Handbasis 15 zu einer nicht gewünschten Bewegung des Handgelenkes l6, während in diesem Falle eine unerwünschte Bewegung der Pingerbasis 18 nicht zu verzeichnen ist.

Der Vereinfachung halber seien nun einige Voraussetzungen angenommen.

Zunächst einmal wird durch das positive Vorzeichen (+) oder durch das negative Vorzeichen (-) die jeweilige Drehrichtung des beweglichen Konstruktionselementes oder der beweglichen Konstruktionselemente angegeben. Für die Handbasis 15 und für die Fingerbasis 18 ist jeweils die positive Richtung oder die (+)-Richtung die Rechtsdrehung. Das jeweilige RichtungsVorzeichen erscheint in Fig. 2 nahe bei jeder Pfeilspitze. Beim Handgelenk l6 ist die aufwärtsgerichtete Bewegung als die positive oder (+)-Richtung gekennzeichnet. Zum anderen ist die Richtung und damit auch das Vorzeichen einer jeden Stellantriebswellen-Umdrehung entsprechend Fig. 2 zu bestimmen« Diese Zuordnungen sind nachstehend zu einer Tabelle zusammengefaßt«

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COPY

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- th 8.1.197**

TABELLE

Umdrehung des Stellantriebes "HAND"

(25) mit Linksdrehung ( ) Umdrehung des Stellantriebes "FINGER"

c:

(^9) Mit Rechtsdre
hung ( + )

c:_f

Umdrehung des

Stellantriebes

"HANDGELENK"

(39) Mit Links drehung ( + )

3ewegung der Sandbasis (15)

Bewegung nach rechts

STATIONÄR

Richtige Bewegung

Bewegung der Fingerbasis

Bewegung nach rechts

Bewegung nach links (-)

STATIONÄR C-

Richtige Bewegung

Unerwünschte Bewegung

Bewegung des Gelenkes (l6)

Nach unten gerichtete Bewegung (-)

Unerwünschte Bewegung STATIONÄR

Nach oben gerichtete Bewegung

C -Ww

Richtige Bewegung

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copy

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Wird nun der Handbasis-Stellantrieb 25 zum Arbeiten gebracht, dann bewegen sich, (wenn auch natürlich in einander entgegengesetzte Richtungen) die Handbasis 15 und das Gelenk l6 über den gleichen Drehwinkel, wohingegen bei Inbetriebnahme des Gelenk-Stellantriebes sich,(wenn auch natürlich in einander entgegengesetzte Richtungen) das Handgelenk l6 und die Fingerbasis 18 über den gleichen Drehwinkel bewegen_o

Die mit den jeweiligen Stellantrieben 25, 49 und 39 verbundenen Positions-Meßfühler 25O, 490 und 390 erzeu-r gen ein Digital-Ausgangssignal, das der jeweiligen Winkellage der Wellen 24, 48 und 38 entspricht. Die vorerwähnten Positionsmelder 25O, 490 und 390 sind dabei derart angeordnet und ausgelegt, daß im Hinblick auf die jeweiligen Drehwinkel der Handbasis I5, der Fingerbasis 18 und des Handgelenkes l6 deren Ausgangssignal in der gleichen Proportion wiedergegeben werden.

Anders ausgedrückt: Wird nur der Handbasis-Stellantrieb 25 in der positiven oder negativen Richtung angetrieben, dann wird das Ausgangssignal des Positionsmelders um den gleichen Wert größer oder kleiner, um den die Handbasis 15 in der positiven oder in der negativen Richtung gedreht wird, (in diesem Falle entspricht der Ausgang des Positionsmelders 250 "der Position der Handbasis 15, weil bei einem Arbeiten des Finger-Stellantriebes 49 oder des Gelenk-Stellantriebes 39 die Handbasis 15 nicht bewegt wird). Wird nur der Finger-Stellantrieb 49 in Betrieb genommen, so daß er sich dabei in die negative oder in die positive Richtung dreht, dann wird der Ausgang des Positionsmelders 490 kleiner

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oder größer, und zwar um den Wert, um den sich die Fingerbasis 18 in die negative oder in die positive Richtung dreht, (in diesem Falle entspricht der Ausgang des Positionsmelders 490 nicht der Position der Fingerbasis 18, weil diese Fingerbasis auch beim Arbeiten des Gelenk-Stellantriebes 39 sich bewegt). Eine ähnliche Situation liegt vor, wenn nur der Gelenk-Stellantrieb 39 arbeitet, so daß weitere Erläuterungen nicht gegeben zu werden brauchen.

Nun sei angenommen, die Nenn-Drehgeschwindigkeit oder die höchste Drehgeschwindigkeit der Handbasis 15 gegenüber der Armhalterung 13, des Handgelenkes l6 gegenüber der Handbasis 15 und der Fingerbasis 18 gegenüber der Armhalterung 13 betrage S Grad/Sekunde, beispielsweise 90 /Sekunde. Für den Handbasis-Stellantrieb 25 genügt es und ist notwendig, daß die Nenngeschwindigkeit, gemessen als zeitliche Ableitung des dem Positionsmelder 250 zugehörigen Ausganges, S Grad/Sek. beträgt, weil laut Tabelle die Handbasis 15 frei von unerwünschten Bewegungen ist, die durch den Gelenk-Stellantrieb 39 verursacht werden.

Es genügt und ist erforderlich, daß der Handgelenk-Stellantrieb 39 eine als zeitliche Ableitung des dem Positionsmelder 390 zugehörigen Ausganges gemessene Nenn-Drehgeschwindigkeit von beispielsweise 2S l80 /Sek. hat, weil das Gelenk l6 auch mit S Grad/Sek.· sich dann in die negative (oder positive) Drehrichtung dreht, wenn der Handbasis-Stellantrieb 25 dazu veranlaßt wird, sich mit S Grad/Sek. in die positive (oder negative) Drehrichtung zu drehen.

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Für den Finger-Stellantrieb 49 genügt es und ist erforderlich, daß, (gemessen als zeitliche Ableitung des dem Positionsmelder 490 zugehörigen Ausganges), • eine nominelle Drehgeschwindigkeit von 3 S 270 /Sek. hat, weil dann, wenn der Gelenkantrieb 39 in Betrieb genommen wird und sich dann mit 2 S 180 /Sek. in die positive (oder negative) Drehrichtung dreht, sich auch die Fingerbasis 18 mit 2S 180 /Sek. in die negative (oder positive) Drehrichtung dreht.

Die durch die zeitliche Ableitung des Ausganges der Positionsmelder 250, 490 und 390 bestimmte Geschwindigkeit wird im weiteren Verlaufe dieser Patentanmeldung als "Stellantrieb-Geschwindigkeit" bezeichnet.

Um ein besseres Verstehen zu ermöglichen, sind in Fig. 3 die Hinweiszahlen dreistellig gehalten, wobei die mit "2" beginnenden Zahlengruppen die zur Handbasis-Steuerung und Handbasis-Regelung gehörenden Teile und Baugruppen kennzeichnen, wobei die mit "3" beginnenden Zahlengruppen für das Handgelenk-Steuerungssystem stehen, wohingegen die mit "4" beginnenden Zahlengruppen wiederum das Steuerungs-und Regelungssystem für die Fingerbasis kennzeichnen.

Zum Regelkreis für die Handbasis gehört ein Befehlsgeber 201 mit einem Speicher, der in der Lage ist, durch aufeinanderfolgenden Zugriff ein Steuerungssignal zu erzeugen. Von einem Subtraktionsglied 202 wird der Anteil des vom Positionsmelder 250 aufgenommenen Stellantrieb-Positionssignales vom Steuersignal subtrahiert, wobei eine Differenz entsteht, die sich aus einem absoluten Komponentensignal und aus einem Vorzeichen-Komponenten-

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signal zusammensetzt. Das in Digitalform vorhandene Absolutwertsignal*Digital-Analog-Umsetzer 203 in ein Analogsignal umgeformt und dann dem Funktionsverstärker oder 0perationsverstärker20^ aufgeschaltet, dessen Ausgangssignal wiederum über einen Umschalter 205, der auf das Vorzeichenkomponentensignal der Subtraktionsvorrichtung 202 anspricht, auf einen Funktionsverstärker oder Operationsverstärker 206 geführt.

Zum Verstärker 206 gehören zwei Eingänge, die derart angeordnet und ausgelegt sind, daß die Polarität des Ausgangssignales gleich einem Eingangssignal ist, aber entgegengesetzt jener des anderen Eingangssignales. Weiterhin ist der Verstärker 206 auch noch.derart ausgelegt, daß sein maximales Ausgangs signal gleich +_ E Volt ist. Der Schalter 205, der als elektronischer Schalter ausgeführt sein kann, schaltet im Ansprechen auf das Vorzeichensignal aus der Schaltvorrichtung 202 das Ausgang3signal auf den einen oder den anderen Eingang des Verstärkers 206 _o Schließlich erhält man dann das Handbasis-Fehlersignal in analoger Form am Ausgang dieses Verstärkers 206.

Dieses Handbasis-Fehlersignal wird nun einem Funktionsverstärker oder-Operationsverstärker 207 aufgeschaltet, dessen Eingangswiderstand und Rückführungswiderstand jeweils den ¥ert R hat. Mit dem Ausgangssignal des Verstärkers 207, d.h. mit dem Stellgrößensignal, wird ein Servoventil 208 angesteuert, das seinerseits wiederum den Handbasis-Stellantrieb zu steuern und zu regeln hat. Während der Zeit, in der das Handbasis-Fehlersignal

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«3. 8

+E Volt oder -E Volt beträgt, d.h. wenn das Stellgrößensignal für die Handbasis die Größe -E oder +E Volt hat, wird vom Handbasis-Stellantrieb 25 die Felle 2k entweder in die positive Drehrichtung oder in die negative Drehrichtung mit einer Geschwindigkeit von S Grad/Sek. (beispielsweise von 90 / Sek.) in Umdrehung versetzte

Aus der bisher gegebenen Beschreibung ist leicht zu verstehen, daß der Regelkreis zum Steuern und Regeln der Handbasis 15 geschlossen ist, weil die Bewegung oder die Betätigung der Handbasis 15 laut Tabelle durch eine Bewegung des Gelenkes 16 oder der Fingerbasis 18 nicht beeinträchtigt wird.

In dem Steuerungs-und Regelungssystem für das Handgelenk sind jene Baugruppen und Teile, die den Baugruppen und Teilen des Steuerungs-und Regelungssystems für die Handbasis entsprechen, mit solchen Hinweiszahlen gekennzeichnet, deren zweite und dritte Ziffern mit jenen für das Handbasis-Steuerungssystem identisch sind.

Zu dem Handgelenk-Steuerungs-rund Regelungssystem gehört weiterhin aber auch noch ein Subtraktionsglied 312, das das Handbasis-Stellantrieb-Positionssignal aus dem Positionsmelder 250 vom Gelenk-Stellantrieb-Positionssignal aus dem Positionsmelder 390 abzuziehen und ein Positionssignal für das Handgelenk zu erzeugen hat. Dieses Gelenk-Positionssignal wird dem Subtraktionsglied 302 über dessen negativen Eingang aufgeschaltet. Die Erzeugung des Handgelenk-Positionssignales wird nun in der folgenden ¥eise durchgeführt. Wenn, sich der Handbasis-Stellantrieb 25 in der Positivrichtung oder in

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Negativrichtung über einen bestimmten Winkel dreht, dann wird auch das Handgelenk 16 in positiver oder negativer Richtung über einen bestimmten Winkel bewegt, und zwar (nach der Tabelle) über den gleichen Winkel, wobei sich die Handbasis 15 natürlich über den gleichen Winkel dreht, jjedoch in positiver oder negativer Drehrichtung. Damit aber wird der Betrag, (um den sich das Handgelenk 16 durch die Betätigung des Handbasis-Stellantriebes 25 in unerwünschter Weise bewegt), von dem Positionswert des Handgelenk-Stellantriebes 39 subtrahiert.

Die Komparatorschaltung für die Erzeugung des Handgelenk-Fehlersignales setzt sich nun wie folgt zusammen: -

Zu einem addierenden Operationsverstärker 307 gehören jeweils zwei Eingangswiderstände mit einem Widerstandswert von 2R, desgleichen aber auch ein Rückführungswiderstand mit einem Widerstandswert von R. Diesem Verstärker 307 aufgeschältet werden das Handgelenk-Fehlersignal aus dem Operationsverstärker 3O6 und das Handbasis-Fehlersignal aus dem Verstärker 206. Damit aber wird das Ausgangssignal des Verstärkers 307, d.h. das Handgelenk-Stellgrößensignal, gleich der durch zwei dividierten Summe aus dem Handbasis-Fehlersignal und dem Haw^elenk-Fehlersignal. Während der Zeit, in der das Gelenk-Stellgrößensignal -E Volt oder +E Volt beträgt, wird vom Handgelenk-Stellantrieb 39 die Welle mit einer Geschwindigkeit von 2S Grad/Sek. (beispielsweise 180 /Sek.) in der positiven oder der negativen Drehrichtung in Umdrehung versetzt.

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Das Steuerungs-und Regelungssystem für die Fingerbasis ist ähnlich dem Steuerungs-und Regelungssystem für das Handgelenk aufgebaut, wobei die Baugruppen und Teile, die den Baugruppen und Teilen des Handgelenk-Steuerungssystems identisch sind ab der zweiten Ziffer mit identischen Hinweiszahlen bezeichnet werden.

Zu dem Fingerbasis-Steuerungssystem gehört ein Operationsverstärker oder Funktionsverstärker mit drei Eingangswiderständen vom ¥ert 3R und einem Rückführungswiderstand vom Wert R. Diesem Verstärker 4O7 werden die Fehlersignale aus den Operationsverstärkern 206, 306 und 4o6 aufgeschaltet. Der Fingerbasis-Stellantrieb dreht sich dann mit der Geschwindigkeit von 3S Grad/Sek. (beispielsweise 27O /Sek.) in die positive oder in die negative Drehrichtung, wenn das Stellgrößensignal -EVoIt oder + E Volt beträgt»

Ein typischer Funktionsablauf oder Steuerungsablauf soll nachstehend nun anhand von Fig. 4 näher erläut ert werden:-

Es sei angenommen, daß die entsprechenden Befehle für die Handbasis, für das Handgelenk und für die Fingerbasis positiv gerichtet sind, wobei der Befehl für die Handbasis 15 im ¥ert kleiner ist als der Befehl für das Handgelenk l6, dessen Befehl wiederum gegenüber dem Befehl für die Fingerbasis 18 im Wert kleiner ist. Damit aber haben die Handbasis I5, das Handgelenk l6 und die Fingerbasis 18 die gleiche Nenn-Drehgeschwindigkeit von S Grad/Sek. (beispielsweise 90°/Sek.), wo-

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bei die einzelnen Funktionen wie folgt ablaufen werden:- Handbasis 15, Handgelenk 16 und dann die Fingerbasis 18.

Fig. h zeigt nun, daß,nachdem zum Zeitpunkt t=0 ein Satz von Befehlen gegeben worden ist, die Fehlersignale für die Handbasis 15, für das Handgelenk 16 und die Fingerbasis 18 den gleichen Wert +E Volt annehmen.

Im Steuerungs-und Regelungssystem für die Handbasis hat der Verstärker 207 einen dem Einheitswert gleichen Verstärkungsfaktor, * "Und dem Servoventil 208^ das Stellgrößensignal von -E Volt aufgeschaltet, was wiederum zur Folge hat, daß zum Zeitpunkt t=t₁ der Handbasis-Stellantrieb 25 sich mit einer Geschwindigkeit von S Grad/Sek (90°/Sek.) in die positive Richtung dreht. Beim Gelenk-Steuerungs-und Regelungssystem wird dem Funktionsverstärker oder Operationsverstärker 307 jeweils über seine "beiden Eingänge der Handbasisfehler von +E und der Gelenkfehler von -ä-E auf geschaltet, was wiederum zur Folge hat₉ daß das Steilgrößensignal gleich /E Ev

~\ ~ö ⁺ ~o ' ~ "-^ wirdo Das bedeutet, daß zum Zeitpunkt t=t- der Gelenk-Stellantrieb 39 derart angesteuert wird, daß er sich mit einer Geschwindigkeit von 2S Grad/Sek. (l80 /Sek.) in die positive Richtung dreht«, Beim Steuerungs-und Regelungssystem für die Fingerbasis werden dem Verstärker 4O7 über seine drei Eingänge jeweils aufgeschaltet die Handbasisabweichung +E, die Gelenkabweichung +E und die Fingerbasisabweichung +E, worauf-

•KV -Π\ ·ΤΛ

hin dann das Fingerbasis-Stellsignal gleich -(^ + ^ + =|)

= -E wird. Damit aber wird zum Zeitpunkt t=t₁ der Fingerbasis-Stellantrieb k9 derart angesteuert, daß er sich

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■ mit einer Geschwindigkeit von 3S Grad/Sek. (27O°/Sek.) in die positive Drehrichtung bewegt.

¥ie aus Fig. 4b zu erkennen ist, wird die Handbasis
15 mit einer Geschwindigkeit von S Grad/Sek. (9O°/Sek.) zu einer positiven Umdrehung veranlaßt. Das Gelenk l6
dreht sich mit S Grad/Sek. (90 /Sek_o) in die positive Drehrichtung, d.h. in der richtigen Bewegung mit 2S in die positive Richtung_/ und in der unerwünschten Bewegung mit S in die negative Drehrichtung, (in diesem
Zusammenhang wird auf die Tabelle verwiesen). Die Fingerbasis 18 wird mit S Grad/Sek. zu einer Drehbewegung in die positive Richtung veranlaßt, d.h. in der richtigen Bewegung mit 3S in die positive Drehrichtung, und
in der unerwünschten Bewegung mit 2S in die negative
Drehrichtung.

Der Handbasis-Stellantrieb 25 beginnt seine Drehgeschwindigkeit zum Zeitpunkt t=t„ zu verringern und kommt zum Zeitpunt t=t_ zum Stillstand. Das aber bedeutet, daß
das Handbasis-Abweichungssignal zum Zeitpunkt t=t_

gleich Null wird. Nun wird der Ausgang des Verstärkers

E
307 gleich ■■■■ , woraufhin dann die Drehgeschwindigkeit des Gelenk-Stellantriebes 39 von 2S nach S wechselt,
wohingegen sich die Bewegungsgeschwindigkeit des Gelenkes l6 nicht verändert, weil es zu einer unerwünschten Bewegung aufgrund des Arbeitens des Handbasis-Stellantriebes 25 nicht kommt· Dementsprechend wird nun auch der Ausgang des Verstärkers 407 gleich -(— + —) = "^ E, woraufhin dann der Finger-Stellantrieb 49 mit einer Geschwindigkeit von 2S (l8O°/Sek.) zu einer Drehbewegung veranlaßt wird, während sich die Fingerbasis 18 selber

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im wesentlichen konstant mit einer Geschwindigkeit von S Grad/Sek. (90°/^Selc.) weiterdreht.

Das Handgelenk 16 beginnt mit der Verringerung seiner Drehgeschwindigkeit zum Zeitpunt t=tr und kommt zum Zeitpunkt t=t_ zum Stillstand, was wiederum dazu führt,

E daß das Ausgangs signal am Verstärker 407 gleich - -τ

wird, wobei sich der Finger-Stellantrieb 49 und die Fingerbasis in der mit Fig. kA und Fig. ^B dargestellten Weise mit der Geschwindigkeit S drehen.

Schließlich wird auch die Fingerbasis-Abweichung geringer, wobei die Fingerbasis mit der Verringerung der Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t=t^ beginnt und zum Zeitpunkt t=t„ zum Stillstand kommt.

Anhand von Fig. 5 soll nachstehend nun ein anderer typischer Funktionsablauf oder Steuerungsablauf beschrieben werden:-

In diesem Falle ist der Befehl für die Handbasis 15 negativ gerichtet, während die Befehle für das Handgelenk l6 und für die Fingerbasis 18 jeweils positiv gerichtet sind. Die Größenbeziehungen zwischen diesen drei Befehlen entsprechen jenen, die bereits im Zusammenhang mit Fig. k beschrieben worden sind.

Zum Zeitpunkt t=0 ist das Handbasis-Abweichungssignal des Verstärkers 206 gleich -E Volt, ist das Handgelenk-Abweichungssignal aus dem Verstärker 3O6 gleich +E Volt ist weiterhin auch noch das Finger-Abweichungssignal aus dem Verstärker ko6 gleich +E Volt. Damit aber wird das Stellgrößensignal für die Handbasis gleich +E Volt, was wiederum zur Folge hat, daß sich der Handbasis-Stellantrieb 25 in der negativen Drehrichtung mit einer Geschwindigkeit von S (90°/^se>k.) zum Zeitpunkt t=t₁

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dreht, während die Handbasis selber in der Negativrichtung mit einer Geschwindigkeit von S Grad/Sek. (90 /Sek.) in Umdrehung versetzt wird. Das Stellgrößensignal am Ausgang des Verstärkers 307 wird gleich -(—^ + 5 ) =0, -d.h. das Stellgrößensignal für

das Gelenk, wobei in diesem Falle der Gelenk-Stellantrieb 39 nicht arbeitet, sich das Gelenk l6 aber aufgrund der Negativdrehung des Handbasis-Stellantriebes 25 zum Zeitpunkt t=t.. mit einer Geschwindigkeit S Grad/Sek« in positiver Drehrichtung dreht, (in diesem Zusammenhang wird auf die Tabelle verwiesen). Das Stellgrößensignal für die Fingerbasis am Ausgang des Verstärkers 407 wird gleich -(-ψ- + -~ + -|—) = ψ-, was wiederum dazu führt, daß der Finger-Stellantrieb 49 zum Zeitpunkt t=t₁ zu einer positiven Umdrehung mit der Geschwindigkeit S (90 )/Sek. veranlaßt wird, wobei wiederum auch die Fingerbasis 18 mit einer Geschwindigkeit S (90) Grad/Sek. in der positiven Richtung in Umdrehung versetzt wird, weil in diesem Falle der Gelenk-Stellantrieb 39 nicht arbeitet und sich nicht dreht.

Zum Zeitpunkt t=t_ setzt dann die Verringerung der Geschwindigkeit der Handbasis 15 ein, die zum Zeitpunkt t=t_ zum Stillstand kommt. Das aber bedeutet, zum Zeitpunkt t=t„ wird das Handbasis-Abweichungssignal aus dem Verstärker 206 gleich Null. In diesem Falle wird nun das Stellgrößensignal für das Gelenk am Ausgang des Verstärkers 307 gleich -(θ + ~—) = - —75— Volt, beginnt sich der Gelenk-Stellantrieb 39 in positiver Drehrichtung mit einer Geschwindigkeit von S (90) Grad/Sek. zu drehen, während das Gelenk l6 im wesent-

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liehen seine Geschwindigkeit von S Grad/Sek. beibehält. ¥ird das Stellgrößensignal für die Fingerbasis gleich _(O 4- -^- + ■—-) = - γ- E Volt, dann erhäht der Finger-Stellantrieb ^9 seine Geschwindigkeit auf 2S Grad/Sek., während die Fingerbasis 18 selber im wesentlichen die Geschwindigkeit von S Grad/Sek. beibehält. Damit aber läßt sich der weiche und glatte Steuerungsablauf nach Fig. 5B erreichen.

Wie bereits zuvor beschrieben, erhält der Operationsverstärker 307 vom Verstärker 306 einmal das Gelenk-Abweichungssignal aufgeschaltet und zum anderen vom
Verstärker 206 aus das Handbasis-Abweichungssignal.
¥ird nur der Handbasis-Stellantrieb in positiver oder negativer Drehrichtung in Betrieb genommen, und zwar
mit einer Geschwindigkeit von S Grad/Sek., dann arbeitet auch der Gelenk-Stellantrieb 39 und dreht sich mit einer Geschwindigkeit von S Grad/Sek. in positiver oder negativer Richtung,, Damit arbeiten und drehen sich die beiden Stellantriebe 25 und 39 im wesentlichen zur
gleichen Zeit, so daß die unerwünschte Bewegung des
Gelenkes l6 aufgrund des Arbeitens des Stellantriebes 25 im wesentlichen rückgängig gemacht oder aufgehoben wird. Das aber bedeutet, daß ein Gelenk-Abweichungssignal nur selten aufkommt, so daß dadurch die unerwünschte Bewegung des Handgelenkes l6 im wesentlichen vermieden werden kann. Sollte aber ein geringfügiges
Gelenk-Abweichungssignal aufkommen, dann wird der Gelenk-Stellantrieb derart in Betrieb genommen, daß das Gelenk-Abweichungssignal verringert und rückgängig gemacht wird.

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PATENTANWÄLTE F.W. H EM M E R ICH ■ G E R D M Ü LL E R · D . G R OSSE 72 024

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8.1.1974

2407829 "

Für den Fall, daß die Steuerungssignale für die Handbasis 15 und das Handgelenk sowohl in der positiven als auch in der negativen Richtung erzeugt werden, werden dem Verstärker das Handbasis-Abweichungssignal von +E Volt oder -E Volt und auch das Gelenk-Abweichungssignal von +E Volt oder -E Volt aufgeschaltet. In einem solchen Falle wird der Gelenk-Stellantrieb mit einer Geschwindigkeit von 2S Grad/Sek. in Umdrehung versetzt. Das aber bedeutet, daß der Gelenk-Stellantrieb 39 im Ansprechen auf den Gelenk-Betätigungsbefehl gesteuert und geregelt werden kann, und zwar im wesentlichen unabhängig von der Inbetriebnahme für das Rückgängigmachen unerwünschter Bewegungen aufgrund des Arbeitens des Handbasis-Stellantriebes 25.

¥eil der Steuerungsablauf beim Steuerungs-und Regelungssystem für die Fingerbasis ähnlich verläuft oder erfolgt, wird eine ausführliche Beschreibung für nicht erforderlich gehalten.

Mit dieser Erfindung lassen sich unerwünschte Bewegungen der beweglichen Konstruktionselemente des Industrie-Manipulators kompensieren, wobei diese Kompensation unabhängig von der Steuerung und Regelung im Ansprechen auf den jeweiligen Befehl erfolgen kann, so daß mit einem in der Konstruktion einfachen, relativ einfachen, System eine giatte und kontinuierliche Bewegung der beweglichen Konstruktionselemente erfolgen kann»

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Claims

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8.1.197**

Pat ent ansprüche;-

Industrie-Manipulator mit mehreren beweglichen Konstruktionselementen, die jeweils von einem eigenen Stellantrieb verfahren oder in Position gebracht werden können, wobei die Stellantriebe über mechanische Verbindungselemente mit den beweglichen Konstruktionselementen verbunden sind, wobei weiterhin die mechanischen Vorrichtungen derartig untereinander verriegelt sind, daß das Arbeiten von mindestens einem der Stellantriebe die gewünschte Bewegung veranlaßt, aber auch eine unerwünschte Bewegung von mindestens einem der anderen beweglichen Konstruktionselemente^

dadurch gekennzeichnet, daß

die Stellantriebe von jeweils eigenen Regelkreisen gesteuert und geregelt werden, wobei ein der Differenz zwischen der Istposition und der Sollposition eines beweglichen Konstruktionselementes entsprechendes Signal zur Steuerung dieses Konstruktionselementes auch eine Komponente des Steuerungssignales ist, das dem Stellantrieb des Konstruktionselementes oder eines jeden Konstruktionselementes, das durch die Bewegung des vorerwähnten einen Konstruktionselementes beeinträchtig wird, aufgeschaltet wird, um dessen unerwünschte Bewegung rückgängig zu machen oder aufzuheben.

2. Industrie-Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

zu einem jeden Regelkreis ein Meßfühler gehört, der die Position des Stellantriebes für jenes

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bewegliche. Konstruktionselement- · zu erfassen und aufzunehmen hat feinem jeden Regelkreis ein Komparator zugeordnet ist, der ein Fehlersignal erzeugen kann, das der Differenz zwischen der Istposition und der Sollposition jenes Stellantriebes entspricht.

Industrie-Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

zum Regelkreis eines beweglichen Konstruktionselementes, das durch die Bewegung eines anderen Konstruktionselementes beeinträchtigt wird, ein Subtraktionsglied gehört, dem der Ausgang des dem vorerwähnten beweglichen Konstruktionselement zugeordneten Positionsmelders aufgeschaltet wird, desgleichen aber auch das Ausgangssignal des dem beweglichen und die unerwünschte Bewegung durchführenden Konstruktionselement zugeordneten Positionsmelders, wobei das Subtraktionsglied ein Signal erzeugt, das der tatsächlichen Position des Konstruktionselementes, dessen Signal dem Komparator aufgeschaltet wird, entspricht. .

Industrie-Manipulator nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß

der Regelkreis eines jeden beweglichen Konstruktionselementes einen Verstärker mit einem ersten Eingang aufweist, dem das vom Regelkreis erzeugte Fehlersignal aufgeschaltet wird; schließlich der Operationsverstärker eines jeden von einem anderen Konstruktionselement und dessen Bewegung beeinträchtigten Konstruktionselementes mit mindestens

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einen weiteren Eingang, dem das Penlersignal aus dem Regelkreis aufgeschaltet wird, der das bewegliche Konstruktionselement, das die unerwünschte Bewegung durchführt, steuert und regelt.

5. Industrie-Manipulator nach Anspruch H₁ dadurch gekennzeichnet, daß

ein jeder Eingang eines jeden Operationsverstärkers einen Widerstand von NXR-Ohm hat, wobei mit N die Gesamtzahl der Eingänge des Verstärkers bezeichnet wird.

6. Industrie-Manipulator nach Anspruch. 2, 3» ^ oder 5»

dadurch gekennzeichnet, daß

der vorerwähnte Komparator eine absolute Komponente und eine Vorzeichenkomponente des vorerwähnten F ehlersignales erz eugt.

7. Industrie-Manipulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

zu jedem Regelkreis ein Verstärker mit zwei Eingängen und einem Ausgang gehört, wobei die Polarität des Ausganges gleich dem einen Signal und umgekehrt dem anderen Eingang ist, wobei weiterhin das Vorzeichen des Fehlersignales bestimmt, welchem der Eingänge das vorerwähnte Fehlersignal aufgeschaltet wird.

8. Industrie-Manipulator nach irgendeinem der vorher angeführten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß

sich eine Handbasis um die Längsachse des diese Handbasis haltenden Armes drehen kann; ein Hand-

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gelenk-Element, das schwenkbar an der vorerwähnten Handbasis angebracht ist; sich schließlich eine Fingerbasis um das vorerwähnte Gelenk drehen kann.

9. Industrie-Manipulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

zu den mechanischen Vorrichtungen, die jeweils die Handbasis, das Handgelenk und die Fingerbasis jeweils mit den ihnen zugeordneten Stellantrieben verbinden, jeweils eine Hohlwelle gehört, wobei diese Hohlwellen jeweils koaxial zueinander angeordnet sind und um deren Längsachsen durch eine separate Antriebswelle angetrieben werden, die einmal mit den Hohlwellen in Verbindung steht, zum anderen aber mit dem entsprechenden Stellantriebe

10. Industrie-Manipulator entsprechend der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen»

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