DE4005343A1 - Handregler zur steuerung von bewegungen eines mechanismus - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Handregler, mit dem eine Bedie
nungsperson die Bewegungen eines Mechanismus steuern kann,
wie beispielsweise eines Manipulator-Tochterarmes, eines Kra
nes, eines Trockenbaggers oder eines Fahrzeugs, wobei der
Regler dafür ausgebildet ist, um mehrere Freiheitsgrade des
Mechanismus zu steuern.
Für eine geschickte Steuerung eines entfernt gelegenen Mecha
nismus ist es wünschenswert, daß der Regler bequem verwendet
werden kann und die Kräfte wiedergibt, die durch den Mecha
nismus ausgeübt werden, und zwar insbesondere derart, daß die
Ermüdung der Betätigungsperson minimal gehalten wird. Die Be
quemlichkeit der Verwendung betrifft sowohl die Größe der
Verschiebungen, die die Bedienungsperson am Regler vornehmen
muß (wobei kleinere Verschiebungen allgemein angenehmer
sind), und betrifft die räumliche Entsprechung zwischen
den Verschiebungen, die auf den Regler übertragen werden
bzw. ausgeübt werden und der entsprechenden Verschiebung,
die der Mechanismus dann erfährt.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Handregler ge
schaffen, bei dem eine Bedienungsperson Bewegungen eines
Mechanismus steuern kann, wobei der Handregler ein Basis
teil aufweist, ferner einen Halterungsrahmen, der über
drei parallele und nicht teleskopartige Verbindungsarme
mit Gelenkkupplungen an jedem Ende verbunden ist, so daß
der Rahmen relativ zum Basisteil verschoben oder versetzt
werden kann, und wobei ferner ein Betätigungshandgriff
durch vier in Reihe angeordnete Verbindungsstücke mit dem
Halterungsrahmen verbunden ist, wobei die Verbindungs
stücke jeweils eine Drehung des Handgriffs um drei unab
hängige Achsen erlaubt und auch eine lineare Verschiebung
des Handgriffes relativ zum Halterungsrahmen erlaubt.
Der Handregler ermöglicht somit sechs Freiheitsgra
de: eine Drehung um die drei unabhängigen Achsen (wovon
zwei in bevorzugter Weise senkrecht zueinander verlaufen)
und lineare Verschiebungen parallel zu den drei Achsen,
die in bevorzugter Weise senkrecht zueinander verlaufen.
Der Handregler kann daher dafür verwendet werden, einen
entfernt angeordneten Mechanismus mit verschiedenen Frei
heitsgraden zu steuern, die miteinander koordiniert werden
müssen. Wenn zusätzliche Freiheitsgrade beim Handregler
vorgesehen werden sollen, kann der Handgriff mit Schalter
ausgestattet sein oder mit anderen Eingabevorrichtungen
versehen sein, die von der Bedienungsperson mit ihren Fin
gern oder Daumen betätigt werden können, während der Hand
griff festgehalten wird.
In bevorzugter Weise sind in dem Handregler Einrichtungen
vorgesehen, um eine Kraftrückkopplung in Relation zu jedem
Freiheitsgrad des Handgriffes vorzusehen. Die Rückkopp
lungskräfte und -momente können direkt proportional zu den
Kräften sein, die durch die entsprechenden Gelenkkupplun
gen des gesteuerten Mechanismus ausgeübt werden, jedoch
werden dabei zur Minimalhaltung der Ermüdung der Bedie
nungsperson einige von dem Mechanismus ausgeübte Kräfte,
wie beispielsweise diejenigen Kräfte, die sich aufgrund des
Gewichtes eines zu manipulierenden Gegenstandes ergeben,
oder aufgrund von Reibungseffekten an den Gelenkkupplungen
ergebende Kräfte, teilweise oder vollständig ausgefiltert.
An dem Handregler vorgesehene Sensoren erzeugen elektri
sche Signale, welche die Kräfte und Drehmomente und die
lineare oder winkelmäßige Verschiebung wiedergeben, die
von einer Bedienungsperson gemäß einem linearen oder Dreh-
Freiheitsgrad ausgeübt bzw. durchgeführt werden. Diese Si
gnale werden in wünschenswerter Weise zu einem Computer
übertragen, der entsprechende Steuersignale an die Motoren
des zu steuernden Mechanismus überträgt. Es können ver
schiedene Steuerungsarten während der Ausführung einer Ar
beit von einer Bedienungsperson ausgewählt werden, bei
spielsweise: Positionssteuerung, Geschwindigkeitssteuerung
oder Kraftsteuerung (wobei die Verschiebung des Handgrif
fes jeweils eine entsprechende Verschiebung, Geschwindig
keitsrate bzw. Geschwindigkeitsveränderung oder Kraft,
welche durch den Mechanismus ausgeübt werden, bewirkt);
wobei für jeden dieser Betriebsarten der Steuerung auch
die Konstanten der Proportionalität verändert werden kön
nen. Beispielsweise kann für eine Bewegung des Mechanismus
in Großausmaß oder -maßstab die Geschwindigkeitssteuerung
verwendet werden, um den Mechanismus dorthin zu bewegen,
wo eine Aufgabe zu erfüllen ist, und es können dann Bewe
gungen des Mechanismus entsprechend einem kleinen oder
feinen Maßstab durchgeführt werden, und zwar während der
Ausführung einer Aufgabe, wobei eine Positionssteuerung
gemäß einem Verhältnis 1:1 bevorzugt werden könnte.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs
beispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Handregler, der an einen Tochterarm ange
schlossen ist, wobei der Handregler in perspek
tivischer Darstellung gezeigt ist und der Toch
terarm schematisch dargestellt ist; und
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung in vergrößertem
Maßstab des Handreglers der Fig. 1, wobei dieser
der Übersichtlichkeit halber in auseinandergezo
gener Darstellung gemäß zwei Teilen veranschau
licht ist.
Gemäß Fig. 1 ist ein Handregler 10 mit einem Handgriff 12
gezeigt. Wie im folgenden noch mehr im einzelnen beschrie
ben werden soll, kann eine Bedienungsperson mit einer Hand
den Handgriff 12 um drei Achsen drehen, wobei zwei Achsen
zueinander senkrecht verlaufen und kann ferner den Hand
griff 12 parallel zu drei zueinander senkrecht verlaufen
den Richtungen verschieben. Der Handregler 10 enthält Sen
soren (nicht gezeigt), die elektrische Signale vorsehen,
welche diese drei Drehbewegungen und diese drei linearen
Verschiebebewegungen wiedergeben, wobei diese Signale über
Leitungen 14 zu einem Steuercomputer 16 mit einem Tasten
feld 17 übertragen werden. Der Handregler 10 kann dazu
verwendet werden, um eine sehr breite Vielfalt von unter
schiedlichen Mechanismen zu steuern; in dem gezeigten Aus
führungsbeispiel wird der Handregler zur Steuerung der Be
triebsweise eines Tochterarmes 18 eingesetzt. Der Arm 18
besteht aus einem Basisteil 20, welches um eine vertikale
Achse gedreht werden kann, ferner einem oberen Arm 22, der
an das Basisteil 20 angelenkt ist, einem unteren Arm 24,
der an den oberen Arm 22 angelenkt ist, und einem Greifer
mechanismus oder Werkzeug 26, welches über ein Handgelenk
25 an den unteren Arm 24 angelenkt ist, wobei das Werkzeug
26 auch um seine eigene Längsachse drehbar ist und
schließlich auch um eine Achse in der Ebene der Figur
drehbar ist. Der Tochterarm 18 hat somit sechs Freiheits
grade hinsichtlich der Bewegung des Greifers oder Werk
zeugs 26 und der Computer 16 erzeugt geeignete Steuersi
gnale über Leitungen 28 für Elektromotoren (nicht ge
zeigt), die so angeordnet sind, um dieses sechs Bewegung
gen entsprechend der Bewegung des Handgriffs 12 umzuset
zen.
Gemäß Fig. 2 hat der Handregler 10 ein Basisteil 30, an
welches eine nahezu halbkreisförmige Platte oder Plattform
32 mit Hilfe von drei parallelen Streben 34 mit fester
Länge befestigt ist. An jedem Ende jeder Strebe 34 ist
eine Gelenkkupplung 36, 37 vorgesehen, die zwei im rechten
Winkel verlaufende Schwenkachsen aufweist, wobei eine Ach
se parallel zu und die andere senkrecht zu der geraden
Kante des Halbkreises in jeder der Konstruktionen orien
tiert ist. Jede der Gelenkkupplungen 37, welche die Stre
ben 34 mit dem Basisteil 30 gelenkig verbinden, enthält
einen Drehsensor (nicht gezeigt), um ein Signal zur Steue
rung des Steuercomputers 16 (siehe Fig. 1) vorzusehen, und
enthält einen Elektromotor 38, um auf die Strebe 34 ein
Drehmoment zu übertragen, und um zu ermöglichen, daß Kräf
te auf den Handregler 10 rückgekoppelt werden. Im Hinblick
auf die Gelenkkupplungen 36, 37 kann die Plattform 32 und
auch der Handgriff 12 parallel zu der geradlinigen Kante
oder Rand des Halbkreises (Achse X) oder senkrecht zu die
ser Kante (Achse Y) oder tatsächlich parallel zu irgend
einer Richtung in der X-Y-Ebene bewegt oder verschoben
werden, d.h. die Ebene der Plattform 32. Zwei der Gelenk
kupplungen 37 sind so angeordnet, daß die Achsen der Moto
re 38 parallel zur X-Achse verlaufen (so daß dadurch Rück
kopplungskräfte in der Y-Richtung vorgesehen werden), und
die andere Gelenkkupplung 37 ist hinsichtlich der Achse
des Motors 38 parallel zur Y-Achse angeordnet (so daß eine
Rückkopplungskraft in der X-Richtung vorgesehen wird).
In der Mitte der geradlinigen Kante der Platte oder Platt
form 32 ist ein rechteckförmiger Ausschnitt 40 ausgebil
det, in ein rechteckförmiger Rahmen 42 eingesetzt wird,
der sich senkrecht zur Ebene der Plattform 32 erstreckt,
und der fest an dieser befestigt ist, und zwar mit Hilfe
einer Konsole 44 (der Rahmen 42 und die Plattform 32 sind
auseinander genommen dargestellt). Ein Halterungsblock 46
ist entlang der Länge des Rahmens 42 verschiebbar bzw.
kann in den Rahmen 42 gleiten, so daß dadurch eine Bewe
gung des Handgriffs 12 senkrecht zur Plattform 32 parallel
zur Achse Z möglich ist. Ein U-förmiges Jochteil 48 ist
drehbar an dem Halterungsblock 46 befestigt, ferner ist
ein zweites Jochteil 50 drehbar zwischen den Seitenab
schnitten des Jochteiles 48 befestigt und der Handgriff 12
ist drehbar mit dem Mittelteil oder der Mitte des zweiten
Jochteiles 50 verbunden. Es kann daher der Handgriff 12 um
seine eigene Achse A gedreht werden und ferner auch um
zwei zueinander senkrecht verlaufende Achsen B und C. Sen
soren (nicht gezeigt) erzeugen Signale für den Steuercom
puter 16 (siehe Fig. 1), welche diese drei Drehbewegungen
(um die Achsen A, B und C) wiedergeben und auch die line
are Verschiebung parallel zur Z-Achse wiedergeben. Zusätz
lich sind Elektromotore (nicht gezeigt) vorgesehen, um die
Möglichkeit zu schaffen, daß Rückkopplungs-Drehmomente
hinsichtlich jeder Achse A, B und C aufgebracht bzw. zuge
führt werden können, und um eine Rückkopplungskraft aufzu
bringen oder zuzuführen, um einer Verschiebung in Richtung
der Z-Achse entgegenzuwirken.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei dem in Fig. 1 gezeigten
Gerät zusätzlich zu den Steuersignalleitungen 14 und 28,
die gezeigt sind, auch noch Rückkopplungssignalleitungen
(nicht gezeigt) vorhanden sind, welche Signale für den
Computer 16 vorsehen, welche die Kräfte und die Drehmomen
te wiedergeben, welche durch den Tochterarm 18 ausgeübt
werden, und daß ferner auch Rückkopplungssteuerleitungen
vorgesehen sind, welche Steuersignale für die Elektromoto
re 38 auf dem Basisteil 30 vorsehen und auch für die ver
schiedenen Elektromotor (nicht gezeigt), die am Rahmen 42
gehaltert sind. Während des Betriebes des Handreglers 10
kann eine Bedienungsperson mit Hilfe des Tastenfeldes 17
den Computer 16 programmieren, so daß die Rückkopplungs
kräfte geändert werden; es kann beispielsweise das Gewicht
eines Gegenstandes, der von dem Arm 18 getragen werden
soll, ausgefiltert werden, es können ferner einige oder
alle Kräfte (und Drehmomente), die von dem Arm 18 ausgeübt
werden, reflektiert werden oder es können die Verhältnisse
zwischen Kräften, die von dem Arm 18 ausgeübt werden, und
denjenigen Kräften, die vom Handregler 10 reflektiert wer
den, geändert werden. Es sei ferner darauf hingewiesen,
daß durch die Verwendung des Tastenfeldes 17 die Bedie
nungsperson auch die Betriebsart modifizieren oder ändern
kann, in welcher die Bewegungen des Handgriffes 12 Bewe
gungen des Tochterarmes 18 verursachen, wobei ferner auch
eine Positionssteuerung, Kraftsteuerung oder Geschwindig
keitssteuerung ausgewählt werden kann, wie dies an frühe
rer Stelle bereits erläutert wurde, oder auch die Empfind
lichkeit eingestellt werden kann, mit welcher der Tochter
arm 18 anspricht.
Wenn weitere Freiheitsgrade eines Mechanismus gesteuert
werden sollen, kann der Handregler 10 zusätzliche Eingabe
vorrichtungen aufweisen. Wenn beispielsweise der Handreg
ler 10 auch dazu dienen soll, die Betriebsweise einer
Greifvorrichtung oder eines Werkzeugs 26 zu steuern, wel
che am Ende des Tochterarmes 18 vorgesehen ist, so kann
dies mit Hilfe von Signalen erfolgen, die von einem Auslö
ser, einem Schalter, einem Daumen-Joystick oder einem
Gleit-Kippschalter (nicht gezeigt) stammen, die für eine
bequeme Bedienungsperson am Handgriff 12 montiert sind.
Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Regler von dem
gezeigten Ausführungsbeispiel wesentlich hinsichtlich sei
ner Gestalt und hinsichtlich des detailierten Mechanismus
unterscheiden kann, ohne daß dadurch jedoch der Rahmen der
vorliegenden Erfindung verlassen wird. So kann beispiels
weise die halbkreisförmige Platte 32, durch die die drei
Gelenkkupplungen 36 mit dem rechteckförmigen Rahmen 42 be
festigt sind, durch drei getrennte Stützen oder Konsolen
ersetzt werden. Die Zahl der parallel verlaufenden Streben
34, durch die eine lineare Bewegung parallel zu den zwei
Achsen X und Y ermöglicht wird, kann vier anstelle von
drei betragen. Der Halterungsblock 46 kann gleitend ent
lang der Außenseite eines oder mehrerer Gleitstäbe befe
stigt sein anstelle einer gleitenden Befestigung innerhalb
des Rahmens 42, um dadurch eine lineare Bewegung parallel
zur Z-Achse vorzusehen. Ferner können die Gestalten und
Formen der Jochteile 48 und 50 und auch die Orientierungen
der drei Drehachsen A, B und C von den beschriebenen ab
weichen.
Der Handregler 10 nach der vorliegenden Erfindung bildet
eine vergleichsweise einfach aufgebaute, kompakte ver
schiebbare Steuereingabevorrichtung, die bequem von einer
Bedienungsperson verwendet werden kann, und die eine
Kraft-(und Drehmoment-)Rückkopplung hinsichtlich aller
sechs Bewegungsfreiheitsgrade ermöglicht. Die Verwendung
des Handreglers 10 erfordert nur eine einzige Hand. So
kann beispielsweise der Handregler dafür verwendet werden,
die Betriebsweise eines Unterwasser-Manipulatorarmes zu
steuern, um eine Oberflächenbehandlung einer Meereskon
struktion durch Schleifen vorzunehmen; er kann jedoch auch
dafür verwendet werden, einen Manipulatorarm zu steuern,
der dazu dient, eine Raumstation im All zusammenzubauen.
Claims (2)
1. Handregler zur Steuerung von Bewegungen eines Mechanis
mus durch eine Bedienungsperson, mit einem Basisteil und
einem Betätigungshandgriff, der über eine Einrichtung mit
sechs Bewegungsfreiheitsgraden mit dem Basisteil verbunden
ist, gekennzeichnet durch einen Halterungs
rahmen (32, 42) der über drei parallele, nicht teleskoparti
ge Verbindungsstreben (34) mit dem Basisteil verbunden ist,
wobei an jedem Ende der Streben eine Gelenkkupplung vorgese
hen ist, so daß Verschiebungen des Rahmenteiles relativ zum
Basisteil möglich sind, und durch einen Betätigungshandgriff
(12), der über vier in Reihe angeordnete Verbindungsstücke
(50, 48, 46) mit dem Halterungsrahmen (32, 42) verbunden
ist, wobei die Verbindungsstücke jeweils eine Drehung des
Handgriffs (12) um drei unabhängige Achsen (A, B, C) und
eine lineare Verschiebung des Handgriffs (12) relativ zum
Halterungsrahmen (32, 42) erlauben.
2. Handregler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Einrichtung (38) vorgesehen
ist, um eine Kraft- und Drehmomentrückkopplung in Relation
zu jedem Bewegungsfreiheitsgrad des Handgriffes vorzuse
hen.
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