DE3107925A1 - Mechanisch/elektrischer wandler mit sechs freiheitsgraden - Google Patents

Mechanisch/elektrischer wandler mit sechs freiheitsgraden

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Description

Kechanisch/elektJischer ¥andler mit sechs Freiheitsgraden
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler mit sechs Freiheitsgraden, um die auf ein bewegbares Teil, speziell einem bewegbaren Arm eines Roboters übertragenen Kräfte und Momente in elektrische Signale umzuwandeln.
Es ist bekannt, daß Roboter für industrielle Zwecke Maschinen betätigen und daß die Roboter wenigstens einen Arm mit einem oder mit mehreren Freiheitsgraden (Bewegungsfreiheitsgraden) aufweisen, wobei dieser Arm mit Hilfe einer geeigneten "Hand" viele verschiedene Operationen durchführen kann, die schwierig oder gefährlich sind oder die für einen Menschen ungeeignet sind, da sie sich sehr häufig wiederholen.
Die Hand des Roboters kann je nach Bedarf aus Zangen,.einer Schweißelektrode, einer Farbsprühpistole usw. bestehen.
Es ist für die übliche Arbeit eines Roboters erforderlich, daß er "Lernoperationen" ausführen kann (während welcher eine zen-
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trale Steuereinheit des Roboters eine bestimmte durch den Raum verlaufende Bahn bzw. Bewegungsablauf lernt, der dann anschließend zu wiederholen ist) und zwar durch dynamische Verwendung des Roboters, ohne dabei auf langwierige und komplizierte statische "Punkt um Punkt" Lernprozesse zurückgreifen zu müssen. Auch soll dabei nicht der Arm des Roboters durch ein Lichtabbild ersetzt werden, d.h. ein Arm, der lediglich an Positionswandler, jedoch nicht an Motoren angeschlossen ist.
Darüber hinaus ist es erforderlich, den Roboter gegenüber Spannungen und gegenüber Reaktionskräften empfindlich zu machen, die im Laufe seiner Arbeitsbewegungen auftreten, so daß es also erforderlich ist, ein empfindliches "Handgelenk" vorzusehen, welches nicht nur dazu imstande sein muß die erforderlichen Bewegungskräfte von Werkstücken zu übertragen, sondern auch die Reaktionskräfte festzustellen, die auf die von der Hand gehaltenen Werkstücke einwirken und von der Konstruktion ausgeübt werden, auf die die Werkstücke angeordnet werden sollen.
Dieses empfindliche "Handgelenk" muß neben der Feststellung der genannten Reaktionskräfte dazu imstande sein, elektrische Signale zu erzeugen, um die Motoren des Roboters zum Zwecke der Optimierung seiner Bewegung zu steuern.
Um die zuvor geschilderten Anforderungen, zu befriedigen, ist es erforderlich Wandler mit sechs Freiheitsgraden und hoher Empfindlichkeit zur Verfügung zu haben, die im wesentlichen frei sind von mechanischen Hysterese-Erscheinungen und die auch elektrische Ausgangssignale erzeugen können, welche die entlang jeder der Koordinaten-Achse wirkenden Kräfte bei vernachlässigbarer Querstörung ("contamination") angeben, also die vernachlässigbaren Störkomponenten entlang
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den Koordinaten-Achsen, die nicht interessieren.
Es sind bereits V.'andler mit sechs Freiheitsgraden bei Verwendung von Spannungsmeßeinrichtungen bekannt. Diese bekannten Vorrichtungen sind jedoch mit verschiedenen Nachteilen behaftet wie beispielsweise einer Empfindlichkeit gegenüber Temperaturveränderungen und der erforderlichen komplizierten Eichvorgänge. Es ist darüber hinaus erforderlich ein vorausgehendes Studium der Elastizitätsund Deformationseigenschaften einer Konstruktion durchzuführen, an welcher diese Vorrichtungen eingesetzt werden sollen. Schließlich sind auch die Schaltungen für die Verarbeitung der Signale, welche von diesen Vorrichtungen geliefert werden, sehr kompliziert und ihre allgemeine Zuverlässigkeit ist nicht immer annehmbar.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Wandler mit sechs Freiheitsgraden der eingangs geschilderten Art zu schaffen, der die zuvor erläuterten Nachteile nicht mehr aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Hilfe eines Wandlers mit sechs Freiheitsgraden gelöst, um die auf ein bewegbares Teil, speziell einem bewegbaren Arm eines Roboters einwirkenden Kräfte und Momente in elektrische Signale umzuwandeln, wobei die Haupteigenschaft dieses Wandlers darin besteht, daß er:
einen steifen Körper mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt aufweist, der an das bewegbare Teil anzuschließen ist und daß die Seitenfläche desselben erste und zweite axiale Abschnitte aufweist, von denen jeder mit vier im gleichen Winkelabstand angeordneten Metallplatten ausgestattet ist, die paarweise sich diametral gegenüberliegend angeordnet sind;
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die Mantellinien der Seitenfläche, die tangential zu jeder der vom ersten axialen Abschnitt dieser Fläche getragenen Metallplatte verlaufen, verlaufen auch tangential zu einer entsprechenden Platte, die von dem zweiten axialen Abschnitt gehaltert ist;
weiter ist ein starres oder steifes Gehäuse vorgesehen mit im wesentlichen zylindrischer Innenfläche, welches den genannten Körper umschließt; das genannte Gehäuse ist nachgiebig oder federnd an dem Körper mit Hilfe einer nachgiebigen Abstandsvorrichtung derart aufgehängt, daß es begrenzt entsprechend sechs Bewegungsfreiheitsgraden gegenüber dem Körper verschoben oder versetzt werden kann; die Innenfläche des Gehäuses ist mit zwei im wesentlichen halbzylinderßrmigen Metallplatten ausgestattet, die gleichen Winkelabstand zueinander haben und den vom Körper gehalterten Platten gegenüberliegen, derart, daß in Verbindung mit diesen Platten ein enger Zwischenraum gebildet wird und acht Kondensatoren gebildet werden, deren Kapazitätswerte von den relativen Lagen zwischen den Platten des Gehäuses und den Platten des Körpers abhängig sind;
ferner ist an die Platten des Körpers und an die Platten des Gehäuses eine Detektorvorrichtung angeschlossen, um während des Betriebes die momentanen Kapazitätswerte jedes der Kondensatoren zu messen und um auf der Grundlage dieser Meßung elektrische Signale zu erzeugen, welche die Kräfte und Momente wiedergeben, die auf das bewegbare Teil einwirken .
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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Fig. 1 eine Perspektive Darstellung eines Wandlers mit Merkmalen nach der Erfindung;
Fig. 2 einen Längsschnitt gemäß der Linie H-II in Fig.1 in vergrößertem Haßstab,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Zylinderkörpers des Wandlers der Fig.1,
Fig. 4 einen Querschnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig.2, Fig. 5 einen Querschnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 2, Fig. 6 einen Querschnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 2,
Fig. 7 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie VII-VII in Fig. 5, und
Fig. 8 ein schematisches elektrisches Schaltdiagramm der Detektoreinrichtung, die einen Teil einer Vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung bildet.
Fig. 1 zeigt einen Wandler 1 mit sechs Freiheitsgraden, der an einem Ende mit einem bewegbaren Teil 2 verbunden ist, welches beispielsweise aus dem bewegbaren Arm eines Roboters bestehen kann.
Gemäß Fig. 2 umfaßt der Wandler mit Merkmalen nach der Erfindung einen steifen starren Körper 3 mit im wesentlichen zylinderischer Form, der in einem steifen Gehäuse 4 angeordnet ist, welches eine im wesentlichen zylindrische Innenfläche aufweist.
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Der Körper 3 umfaßt ein hohles zylindrisches Element 5, dessen Innenfläche an dem zum Arm 2 des Roboters weisenden Ende mit einem Gewinde ausgestattet ist.
Ein Verbindungselement zur Verbindung des Körpers 3 mit dem Ende des Armes 2 des Roboters ist mit 6 bezeichnet. Das Verbindungselement 6 ist im wesentlichen zylinderförmig und der untere Abschnitt seiner Seitenfläche ist mit einem Gewinde ausgestattet und greift in einen entsprechenden Gewindeabschnitt des hohlen zylindrischen Elements 5 ein.
Das Verbindungselement 6 ist mit einem einstückigen ringförmigen Flansch 6a versehen, der als Endanschlag für die obere Kante des hohlen zylindrischen Elements 3 dient.
Ein ringförmiges Element 7 ist an dem Ende des bewegbaren Armes 2 mit Hilfe von Schrauben 8 befestigt und mit einer axialen zylindrischen Kammer ausgestattet, die aus einem ersten und einem zweiten koaxialen zylindrischen Abschnitt 9a, 9b besieht, durch das Verbindungselement 6 ragt. Der Endabschnitt 6b des Elements 6 ist zum Teil mit einem Gewinde ausgestattet, um in eine Mutter 10 einzugreifen, die dazu dient das Element 6 mit dem ringförmigen Element 7 zu verbinden.
Das Verbindungselement 6 ist mit einer axialen Bohrung 6c versehen, deren Zweck noch im Laufe der folgenden Beschreibung hervorgehen wird, und ist mit einem Paar von sich gegenüberliegenden radialen Bohrungen 6d versehen, die als Sitz für zwei Querstifte 11 dienen, deren Enden radial von den Bohrungen 6d nach außen ragen. Die Funktion der Stifte wird auch noch beschrieben werden.
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Die Seitenfläche des hohlen zylinderförmigen Elements 5 umfaßt einen ersten und einen zweiten axialen Abschnitt, von denen jeder mit vier in gleichem Winkelabstand angeordneten Metallplatten 12 ausgestattet ist, die sich diametral gegenüberliegend paarweise angeordnet sind (Fig.
Gemäß den Figuren 3 und 4 ist zwischen den zwei benachbarten Metallplatten 12 ein Stift 13 vorgesehen, der von einem hohlen zylindrischen Element 5 gehaltert ist, um die Positionierung der Metallplatten 12 auf der Seitenfläche des hohlen zylinderförmigen Körpers 5 während des Zusammenbaus zu vereinfachen.
Die Stifte 13 können aus Metall bestehen, in welchem Fall ihre Seitenflächen mit einer dünnen Schicht aus einem elektrisch isolierendem Material überzogen sind, die beispielsweise durch Oxidation erhalten werden kann.
Die Fläche des hohlen zylinderförmigen Körpers 5 ist mit drei ringförmigen Nuten 14 versehen, die jeweils einen Ring aus einem elastomeren Material aufnehmen, welche mit der Innenfläche des Gehäuses 4 zusammen arbeiten und als nachgiebige Abstandselemente dienen.
Das hohle zylindrische Element 5 ist auch mit einer ringförmigen Nut 16 an seiner unteren Endfläche ausgestattet. Ein Ring 17 aus einem elastomeren Material ist von dieser Nut aufgenommen. Die obere Fläche des ringförmigen Flansches 6a des Verbindungselements 6 ist auch mit einer ringförmigen Nut 18 ausgestattet, in der sich ein Ring 19 aus elastomerem Material befindet.
Die Wand des hohlen zylindrischen Elements 5 ist entsprechend
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jeder Metallplatte 12 mit einer Bohrung 12 versehen, durch die ein elektrischer Leiter 21 verläuft, der an seinem einen Ende an eine entsprechende Metallplatte 12 angelötet ist. Die elektrischen Leiter 21 erstrecken sich durch Bohrungen 6c des Verbindungselements 6 und verlaufen dann vom Ende des bewegbaren Armes über eine Bohrung 2a nach außen. Der hohle zylindrische Körper 5 besitzt einen zylinderförmigen Endfortsatz 5a, der mit einer diametral verlaufenden Bohrung 5b versehen ist, in die ein Stift 22 eingesetzt ist, dessen Ende radial von dem Fortsatz 5a nach außen abstehen. Der Zweck des Stiftes 22 soll im folgenden erläutert werden.
Das hohle zylindrische Element 5 kann aus einem elektrisch isolierendem Material mit beträchtlicher mechanischer Festigkeit hergestellt sein, öas Gehäuse 4 umfaßt eine zylindrische Hülse 23, an deren Enden mit Hilfe von Schrauben 24 und 25 jeweils Verschlußelemente 26 und 2? (Fig.2) angeschlossen sind. Das Verschlußelement 26 besitzt eine kreisförmige zylindrische Bohrung 28 (Fig.5), durch die sich das Verbindungselement 6 erstreckt. Die Seiten der genannten Bohrung 28 sind mit zwei sich diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen 28a ausgestattet, in die sich die Enden der Stifte 11 am Verbindungselement 6 erstrecken.
Um das Verbindungselement 6 ist oberhalb des Flansches 6a des Verbindungselement eine Beilegscheibe 29 gelegt. Die untere Fläche der Beilegscheibe 29 arbeitet mit dem Ring 19 aus dem elastomeren Material zusammen, welcher als nachgiebiges Abstandselement dient. Um den unteren Fortsatz 5a des hohlen zylinderförmigen Elements 5 ist eine Beilegscheibe 30 angeordnet und sitzt auf dem Verschlußelement Die obere Fläche der Beilegscheibe 30 wirktyinit dem Ring 17 aus elastomeren Material zusammen, der an dem unteren Ende des hohlen zylinderförmigen Elements 5 gehaltert ist und als
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ein nachgiebiges Abstandselement wirkt.
Das untere Verschlußelement 27 ist mit einer axialen zylinderförmigen Kammer 31 ausgestattet (Fig.6). Der zylinderförmige Fortsatz 5a des hohlen zylinderförmigen Elements 5 erstreckt sich in einen ersten Abschnitt der zjrlinderf Örmigen Kammer Die Wand dieses ersten Abschnitts der Kammer 31 ist mit zwei sich diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen 31a ausgestattet, in die sich die Enden des Stiftes 22 erstrecken, der am unteren Ende des hohlen zylinderförmigen Elements angeordnet ist.
Die Kammer 31 umfaßt auch einen zweiten zylinderförmigen Abschnitt 31b (Fig.2), der mit einem Gewinde ausgestattet ist, dessen Zweck noch erläutert werden soll. Die Seitenfläche des Verschlußelements 27 ist zum Teil mit Gewinde versehen, dessen Zweck auch noch beschrieben werden soll.
Die innere Fläche der Hülse 23 ist mit zwei im wesentlichen halb zylinderförmigen Metallplatten 32 ausgestattet, die gleichen winkelmäßigen Abstand voneinander haben und den Platten 12 gegenüberliegend angeordnet sind, die von dem hohlen zylinderförmigen Element 5 derart gehaltert sind, daß damit ein schmaler Zwischenraum definiert wird, und acht Kondensatoren gebildet werden, deren Kapazitätswerte von den Lagen der Platten 32 des Gehäuses relativ zu den Platten des Elements 5 abhängen.
Die Hülse 23 kann aus einem elektrisch isolierendem Material hergestellt sein, welches eine ziemliche mechanische Festigkeit besitzt. Auch kann die Hülse an ihrer Außenfläche mit einem elektrischen Leiter bedeckt sein, um dadurch eine Abschirmung zu erzielen.
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Ein elektrischer Leiter 33 (Fig.7) ist mit jeder der Platten 32 verbunden. Jeder Leiter 33 erstreckt sich vom Gehäuse 4 über eine entsprechende Öffnung 34 (Figuren 5 und 7) des Verschlußelements 26 des Gehäuses 4 nach außen. Das Gehäuse 4_, welches von der Hülse 23 und den Verschlußelementen 26, 27 gebildet wird, ist nachgiebig am Körper 3 (der von dem hohlen zylindrischen Element 5 und von dem Verbindungselement 6 gebildet wird) mit Hilfe von Ringen 15,17 und 19 aufgehängt, die als nachgiebige Abstandsteile wirken. Das Gehäuse 4 kann eine begrenzte Bewegung entsprechend sechs Freiheitsgraden gegenüber dem Körper 3 ausführen.
Die Beilegscheibe 29 und 30 arbeiten jeweils mit den Ringen 19 und 17 zusammen, um die axiale Verschiebung des Gehäuses 4 gegenüber dem Körper 3 zu begrenzen. Die Enden der Stifte 11, 22, die sich.unter Spiel in die Ausnehmungen 28 und 31a jeweils erstrecken, begrenzen die Winkelbewegungen oder Verschiebungen des Gehäuses 4 gegenüber dem Körper 3·
Die Wirkung der Kräfte oder Momente, die während der Verwendung aus dem bewegbaren Arm 2 über den Wandler 1 nach der Erfindung übertragen werden, werden in Änderungen der Kapazitätswerte von wenigstens einigen der acht Kondensatoren umgewandelt, die durch die Platten 12 gebildet sind, welche von dem hohlen zylindrischen Element 5 und von der Hülse 23 gehalterten Platten 22 getragen sind. Die Kapazitätsänderungen können sich sowohl aufgrund der Änderung der zugewandten Flächenabschnitte jeder Platte 12 und der gegenüberliegenden Platte 32 als auch durch Änderung ihres Trennungsabstandes ergeben.
Fig. 8 zeigt schematisch die Detektoreinrichtung, die an die Platten 12 des Körpers 3 und die Platten 32 des Gehäuses 4
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angeschlossen ist, um während des Betriebs die Kapazitätswerte jedes Kondensators zu messen und um auf der Grundlage dieser Meßung elektrische Signale zu erzeugen, welche die Kräfte und Momente angeben, die auf das bewegbare Teil in Form des bewegbaren Armes 2 eines Roboters wirken. In dieser Figur sind die vom Körper 3 gehalterten Platten mit 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, und 12h bezeichnet und die von dem Gehäuse 4 gehalterten Platten sind jeweils zum besseren Verständnis der folgenden Erläuterungen mit 32a und 32b bezeichnet.
Ein orthogonales kartesisches Bezugssystem OXYZ ist in Fig. 8 eingezeichnet, bei dem die X-Achse mit den Achsen der konzentrischen kreisförmigen Zylinderflächen zusammenfällt, von denen die Platten 12 und 32 einen Teil bilden, dessen X-Achse senkrecht zu den zwei entsprechenden sich gegenüberliegenden Plattenpaaren und durch die Mitte dieser Platten verläuft, und dessen Y-Achse senkrecht zu den Z und X-Achsen verläuft.
Die Platten 32a und 32b sind beide geerdet.
'Acht Spannungs/Frequenzwandler sind mit den Bezugszeichen 35 bis 40 versehen und werden von einem einzigen Oszillator 43 versorgt. Bekanntlich kann ein Spannungs/Frequenzwandler als Kapazitätsmeßinstrument eingesetzt werden. Ein Spannungs/ Frequenzwandler, der besonders für den vorliegenden Zweck geeignet ist, besteht aus einer integrierten Schaltung, die unter der Bezeichnung LM 2907 im Handel erhältlich ist und von National Semiconductors hergestellt wird.
Jeder der Spannungs/Frequenzwandler 35 bis 42 ist mit einem
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zugeordneten Kondensator verbunden, der von einer der Platten 12 und dem gegenüberliegenden Abschnitt einer entsprechenden Platte 32 gebildet ist. Die Wandler 35 bis 42 erzeugen an ihrem Ausgang ein Spannungssignal,'dessen Amplitude proportional zur Kapazität des betreffenden Kondensators ist, an den sie jeweils angeschlossen sind. Die Ausgangsspannungen der Wandler 35 bis 42 sollen in der folgenden Beschreibung jeweils mit V,.,V^...Vg bezeichnet werden (Fig.8)
Es sei angenommen, daß auf das Gehäuse 4 entlang der X-Achse in negativer Richtung eine Kraft wirkt (Fig.8) Diese Kraft verursacht eine Versetzung des Gehäuses 4 gegenüber dem inneren Körper 3, derart, daß der Abstand zwischen den Platten 12a, 12c und der Platte 32 a vermindert wird, während der Abstand zwischen den Platten 12b,12d und der Platte 32b vergrößert wird. Demzufolge nimmt der Kapazitätswert der Kondensatoren zu, die von den Platten 12b, 12d und 32a gebildet werden, während der Kapazitätswert der Kondensatoren vermindert wird, die von den Platten 12a, 12c und 32 b gebildet sind. Demzufolge werden die Spannungen V^ und V1-, die an den Ausgängen der Wandler 35 und 39 erscheinen, jeweils erhöht und die Spannungen V. und VQ, die an den Ausgängen der Wandler 38 und 42 jeweils erscheinen, werden vermindert.
Es ist somit offensichtlich, daß die Größe (V1-V4) + (V5 - V8)
ein Maß für die relative Verschiebung des Gehäuses 4 gegenüber dem inneren Körper 3 ist und zwar aufgrund der Wirkung einer Kraft, die entlang der X-Achse wirkt.
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Auf der Grundlage ähnlicher Überlegungen wie der vorangegangenen kann ermittelt werden, daß die Größe
(V2 - V3) + (V6 - V7)
ein Maß für das Ausmaß der Versetzungsbewegung des Gehäuses gegenüber dem inneren Körper 3 ist und zwar entsprechend der Wirkung einer Kraft, die entlang der Y-Achse wirkt.
Darüber hinaus bilden die Größen
(V2 - V3) - (V6 - V7) und
(V1 - V4) - (V5 - V8)
ein Maß für das Ausmaß der relativen Drehung des Gehäuses 4 gegenüber dem inneren Körper 3 aufgrund der Wirkung von Momenten, die jeweils um die X-Achse und die Y-Achse wirken.
Es sei nun angenommen, daß eine Kraft parallel zur Z-Achse beispielsweise in positiver Richtung dieser Achse auf das Gehäuse 4 einwirkt.
Die Wirkung dieser Kraft verursacht eine axiale Querbewegung der Platten 32 gegenüber den acht Platten 12. Als Folge dieser Querbewegung nehmen die Kapazitäiswerte der vier Kondensatoren, die durch die Platten 12a, 12b, 12e, 12f und durch die gegenüberliegenden Abschnitte der Platten 32a, 32b gebildet sind, aufgrund einer Zunahme der sich überlappenden Flächen zu. Gleichzeitig nimmt der Kapazitätswert der Kondensatoren, die durch die Platten 12c, 12d, 12g, 12h und die gegenüberliegenden Abschnitte der Platten 32a, 32b gebildet sind, aufgrund der Verminderung der Überlappung der
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Flächenbereiche dieser Platten ab.
Andererseits nehmen immer dann, wenn eine Kraft auf das Gehäuse 4 in einer Richtung parallel zur Z-Achse, Jedoch in negativem Sinn v/irkt, die Kapazitätswerte der Kondensatoren mit den Platten 12c, 12d, 12g, 12h zu und die Kapazitätswerte der Kondensatoren mit den Platten 12a, 12b, 12f, 12e nehmen ab.
Was immer auch die Richtung der Kraft sein mag, die auf das Gehäuse 4 parallel zur Z-Achse wirkt, ist die Größe (beispielsweise)
(V1 - V5) + (V4- V8)
ein Anzeichen für die Größe und die Richtung der relativen Verschiebung zwischen Gehäuse 4 und dem inneren Körper 3 entlang der Z-Achse nachfolgend auf die Wirkung der Kraft, die auf das Gehäuse 4 parallel zur Z-Achse wirkt, so daß diese Größe auch ein Maß für die Größe und die Richtung dieser Kraft ist.
Zum Zwecke der Herstellung einer Beziehung zwischen der Kapazitäsänderung der acht Kondensatoren und der Größe und der Richtung einer parallel zur Z-Achse wirkenden Kraft ist es offensichtlich erforderlich, daß die Kreise, die jeweils durch die oberen Kanten der Platten 12a, 12b,12e, 12f (Fig.8) und durch die unteren Kanten der Platten 12c, 12d, 12g, 12h (Fig.8) definiert sind, in jeweiligen Ebenen liegen sollten, welche die Platten 32a, 32b nicht schneiden.
Es sei nun angenommen, daß um die Z-Achse ein Drehmoment wirkt beispielsweise entgegen dem Uhrzeigersinn auf das Gehäuse 4 einwirkt. Aufgrund der Wirkung dieses Drehmoments
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nehmen die Kapazitätswerte der Kondensatoren mit den Platten 12e, 12f, 12g, 12h als Ergebnis der Verminderung der Flächenabschnitte der Platten 32a, 32b, welche diese Platten überlappen, ab. Gleichzeitig nehmen die Kapazitätswerte der Kondensatoren mit den Platten 12a, 12b, 12c, 12d aufgrund einer Zunahme der sich überlappenden Flächen mit den Platten 32a, 32b zu.
Im Falle eines auf das Gehäuse 4 um die Z-Achse im Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoments, werden die Zunahmen und die Abnahmen der Kapazitäten gegenüber dem Fall umgekehrt, der ZUVo1T1 Verbindung mit einem Drehmoment beschrieben wurde, welches im Gegenuhrzeigersinn wirkt.
In beiden Fällen stellt die Größe
(V1 -V2) + (V4- V3)
ein Maß hinsichtlich der Größe und der Richtung der relativen Drehung zwischen dem Gehäuse 4 und dem inneren Körper dar, die auf die Anlegung des Drehmoments um die Z-Ächse sich ergeben, so daß also diese Größe eine Information sowohl hinsichtlich der Größe als auch der Richtung des Drehmoments liefert.
Um natürlich die Beziehung zwischen den momentanen Kapazitätswerten der Kondensatoren und der Größe und Richtung der Kräfte, die auf das Gehäuse 4 einwirken, nicht zweideutig zu gestalten, ist es erforderlich, daß jede der Platten 12, die von dem inneren Körper 3 gehaltert ist, bei federn Fall nicht gleichzeitig beide Platten 32 des Gehäuses 4 überlappen. Es muß also das Auftreten einer solchen Situation verhindert werden, wozu die Stifte 11,22 (Pign. 5,6) vorgesehen sind.
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Da diese StiftlPmrt begrenztem Spiel in den zugeordneten Ausnehmungen 28a, 31a drehen können, bilden sie eine Begrenzung der winkelmäßigen Verschiebungen des Gehäuses 4 gegenüber dem inneren Körper 3.
In Fig. 8 sind mit dem Bezugszeichen 44 Verarbeitungsmittel bezeichnet, um die von den Wandlern 35 bis 42 erzeugten Signale zu verarbeiten, und um Signale vorzusehen, welche die Komponenten der Kräfte und der Drehmomente entlang bzw. um die X1Y und Z-Achsen, die auf das Gehäuse 4 und demzufolge über den inneren Körper 3 auf den Arm :-übertragen werden, angeben.
Die Prozessoreinrichtung 44 enthält beispielsweise zehn Differentialverstärker 45 bis 54 und vier analoge Summierschaltungen 55 bis 58. Die Verbindungen zwischen den Eingängen der Differentialverstärker 45 bis 52 und den Ausgängen der Wandler 35 bis 42 als auch die Verbindungen zwischen diesen Differentialverstärkern und den Summierschaltungen 55 bis 58 und den Differentialverstärkern 53 > bilden das direkte Schaltungsäouivalent der zuvor beschriebenen sechs Beziehungen zwischen den Spannungen, die an den Ausgängen der Wandler 35 bis 42 erzeugt werden und ein Äquivalent der Komponenten der Kräfte und der Drehmomente entlang bzw. um die Achsen X,Y und Z, die auf das Gehäuse einwirken und über den inneren Körper 3 auf den bewegbaren Arm 2"übertragen werden.
Speziell können an den Ausgangsanschlüssen der Summierschaltungen 55, 56 und 57 bei Vervrendung Spannungssignale abgegriffen werden, die die Kraftkomponenten jeweils entlang der Achsen X, Y und Z, die auf das Gehäuse 4 einwirken, wiedergeben.
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An den Ausgangsanschlüssen der Differentialverstärker und 54 und der Summierschaltung 58 sind im Betrieb Spannungssignale verfügbar, welche die Drehmomentkomponenten um die Achsen X,Y und Z, welche auf das Gehäuse 4 einwirken, jeweils wiedergeben.
Gewöhnlich kann eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach der Erfindung eine Handhabe darstellen, um von Hand den bewegbaren Arm 2 eines Roboters während der Lernphase zu steuern. In diesem Fall können die am Ausgang des Prozessors 44 erzeugten Signale von einem zentralen Prozessor des Roboters derart verwendet werden, daß eine Minimierung der Kräfte und Drehmomente, die auf die Handhabe einwirken, erreicht wird, um den Arm des Roboters eine bestimmte Bahn durch einen Raum folgen zu lassen, wobei der Arm 2 des Roboters anschließend dieser Bahn folgen soll, wenn der Roboter arbeitet.·
Alternativ kann an das untere Ende des Gehäuses 4 der Verrichtung mit den Merkmalen nach der Erfindung ein Werkzeug befestigt werden, so daß in diesem Fall die Vorrichtung nach der Erfindung als empfindliches Handgelenk arbeiten kann, um Spannungen festzustellen, denen ein Werkzeug während einer Bearbeitung ausgesetzt ist.
Es ist offensichtlich, daß die Ausführungsformen sehr breit gegenüber der beschriebenen und dargestellten Ausführungsform variiert werden können und zwar unter Einhaltung des Prinzips nach der Erfindung und ohne dadurch den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Sämtliche in der Beschreibung erwähnten und in den Zeichnungen dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    Wandler mit sechs Freiheitsgraden zur Umwandlung von Kräften und Momenten, die auf ein bewegbares Teil, speziell einem bewegbaren Arm eines Roboters übertragen λ-rerden, in elektrische Signale, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler folgende Merkmale aufweist:
    einen steifen starren Körper (3) mit im wesentlichen zylindrischer Form, der mit dem bewegbaren Teil (2) verbunden ist und dessen Seitenfläche einen ersten und einen zweiten axialen Abschnitt aufweist, von denen jeder mit vier Metallplatten (I2a,12b,12e,12f; 12c,12d,12g,12h) ausgestattet ist, die in gleichem Winkelabstand sich paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Mantellinien der Seitenfläche, die tangential zu jeder der von dem ersten axialen Abschnitt der Fläche getragenen Platte (12) verlaufen t tangential zu einer entsprechenden Platte (12) verlaufen, die von dem zweiten Abschnitt getragen ist, ein starres oder steifes Gehäuse (4) mit einer im wesentlichen zylinderformigen inneren Fläche, welche den genannten Körper (3) umschließt, wobei das
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    Gehäuse (4) über nachgiebige Abstandshalter (15,17,19) an dem Körper (3) nachgiebig aufgehängt ist, derart, daß das Gehäuse begrenzte "Versatzbewegungen oder Verschiebungen mit sechs Freiheitsgraden relativ zum Körper (3) ausführen kann, und wobei die Innenfläche des Gehäuses (4) mit zwei im wesentlichen halbzylinderförmigen und in gleichem Winkelabstand angeordneten Wetallplatten (32) ausgestattet ist, welche den von dem Körper gehalterten Platten (12) gegenüberliegen, derart, daß zwischen diesen ein schmaler Zwischenraum gebildet ist und acht Kondensatoren gebildet werden, deren Kapazitätswerte von den relativen Lagen der Platten (32) des Gehäuses (4) zu den Platten (12) des Körpers (3) abhängen, Detektoren (35-58), die an die Kondensatoren angeschlossen sind, um während des Betriebes die momentanen Kapazitätswerte jedes der Kondensatoren zu messen und um auf der Grundlage dieser Meßung elektrische Signale zu erzeugen, welche die auf das bewegbare Teil (2) v/irkenden Kräfte und Momente wiedergeben.
  2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen der Seitenflächen des Körpers (3) jeweils mit wenigstens einer ringförmigen Nut (14,16,18) ausgestattet sind, und daß die nachgiebigen Abstandshalter aus Ringen (15,17,19) aus elastomeren Material bestehen, die in den ringförmigen Nuten (14,16, 18) des Körpers (3) eingesetzt sind, und mit den inneren Flächen des Gehäuses (4) zusammenwirken.
  3. 3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) an seinen Enden mit wenigstens einem radialen Fortsatz (11,12) ausgestattet ist, der in eine entsprechende Ausnehmung (28a,31a)
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    der Wand des Gehäuses (4) derart ragt, daß die winkelmäßigen "Verschiebungen des Gehäuses (4) relativ zum Körper (3) begrenzt sind.
  4. 4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) an jedem Ende mit einer Wand (29,30) ausgestattet ist, die in radialer Richtung von dessen Innenfläche absteht und einer entsprechenden Endfläche des Körpers (3) gegenüberliegt, daß die sich radial erstreckenden Wände (29;30) des Gehäuses (4) mit den Ringen (17,19,) in den Nuten (16,18) der Endflächen des Körpers (3) zusammen arbeiten, um die axialen Verschiebebewegungen des Gehäuses (4) relativ zum Körper (3) zu begrenzen.
  5. 5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zwei radial verlaufenden Wände aus einer ringförmigen Wand (29;30) besteht.
  6. 6. Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) eine Handhabe darstellt, um von Hand den bewegbaren Arm (2) eines Roboters während der Lernphase zu steuern.
  7. 7. Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) an seinem Ende, welches im Betrieb dem bewegbaren Arm (2) des Roboters gegenüberliegt, Mittel (27;31b) zum Verbinden oder Anschließen eines Werkzeugs aufweist.
  8. 8. Wandler nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor acht Spannungs/Frequenzwandler (35-42)
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    umfaßt, von denen jeder mit einer jeweiligen Platte (12) des Körpers (3) verbunden ist und von einem einzelnen Oszillator (43) gesteuert ist, wobei jeder der Wandler (35-42) Ausgangssignale erzeugt, deren Spannung proportional zur Kapazität des entsprechenden Kondensators ist, und daß eine Prozessoreinrichtung (44;45-58) vorgesehen ist, um die von den Wandlern (35-42) erzeugten Signale zu verarbeiten und um Signale zu erzeugen, welche die auf das Gehäuse (4) einwirkenden Kräfte und Momente angeben und damit über den Körper (3) die auf das bewegbare Teil (2) einwirkenden Kräfte angeben.
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