DE2503003A1

DE2503003A1 - Manipulator

Info

Publication number: DE2503003A1
Application number: DE19752503003
Authority: DE
Inventors: John R Colston
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-02-25
Filing date: 1975-01-25
Publication date: 1975-08-28
Also published as: JPS50118461A; IT1031940B; FR2261845A1; US3904042A; GB1499133A; CA986550A

Description

PAT B ITTANWALT

Dipl. mc5. B. ΗΟΪΛΖΕΒ

A II ti β B U It G

14

w. 717

Augsburg, den 23. Januar 1975

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Genter, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Manipulator

Die Erfindung betrifft einen Manipulator rait einem Arbeitsarm, dessen relativ zueinander bewegliche Glieder durch Gelenke so miteinander verbunden sind, daß die zwischen ihnen herrschenden RelativbewegungsbeZiehungen in allen Relativstellungen der Armglieder beibehalten werden, ferner

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mit den genannten Gelenken zugeordneten Kraftantrieben und einem handbe tätigbare η Steuergerät mit den Gliedern des Arbeitsarmes entsprechenden, relativ zueinander beweglichen Steuerungsgliedern.

Mechanische, oftmals als Manipulatoren bezeichnete Arme finden häufig Anwendung, wenn der unmittelbare menschliche Zutritt infolge des Vorhandenseins einer besonderen Umgebung zu gefährlich oder zu schwierig ist. Der Manipulator stellt eine Verlängerung des menschlichen Armes dar.

Es sind bisher schon verschiedenartige Steuersysteme zur Steuerung der Tätigkeit von Manipulatorarmen bekanntgeworden. Bei einem bekannten System findet beispielsweise eine Anzahl von gesondert betätigbaren einzelnen Steuerelementen für die verschiedenen, den Gelenken des Manipulatorarmes zugeordneten Drehantriebe Anwendung. Das hat zwar den Vorteil, daß die Anordnung verhältnismäßig einfach ist, erfordert jedoch im Hinblick auf die Anzahl und die Kompliziertheit der erforderlichen Manipulator-

*lf

armgelenke zur Bedienung ein hohes Maß an Geschicklichkeit und Erfahrung.

Bei einem anderen, als Master-Slave-System bezeichneten

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System wird ein Handsteuergerät benützt, welches eine maßstäbliche Nachbildung des zu steuernden Arbeitsarmes darstellt und die gleichen Bewegungsmöglichkeiten wie die Glieder und Gelenke des Manipulatorarmes besitzt· Daraus ergibt sich der Vorteil einer leichten Bedienbarkeit, jedoch ist für die Bewegungsmöglichkeit der Teile des Steuergeräts verhältnismäßig viel Raum notwendig und bei der Bedienung Sorgfalt erforderlich, um unbeabsichtigte Verschiebungen von Steuergerätteilen zu vermeiden, was zu unerwünschten entsprechenden Bewegungen des Manipulatorarmes führen kann.

Ein noch weiteres gegenwärtig entwickeltes System benützt ein handbetätigbares Steuergerät, welches den Manipulatorarm in Abhängigkeit von Richtung und Art einer auf ein Steuerteil ausgeübten Kraft steuert. Bei diesem System wird die von dem genannten Steuerteil abgetastete Eingangskraftinformation mit Hilfe eines Koordinatentransformationsrechners in geeignete Steuersignale für die Antriebsorgane der Manipulatorarmgelenke umgesetzt, so daß die relativen Richtungen der Eingangssteuerkräfte zu entsprechenden Bewegungsrichtungen des Manipulatorarmes führen. Dieses System überwindet die Nachteile des zuvor beschriebenen Systems, ist jedoch kompliziert und teuer.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Manipulator der eingangs dargelegten Art so auszubilden, daß das Steuergerät ohne Koordinatentransformationen arbeiten kann.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein solcher Manipulator gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die, die Steuerungsglieder miteinander verbindenden Gelenke zwischen diesen Steuerungsgliedern jeweils begrenzte Relativbewegungen im gleichen Bewegungssinne wie demjenigen des jeweils zugehörigen Arbeitsarmgelenks gestatten, und daß das Steuergerät Steuermittel mit in den Gelenken des Steuergeräts angeordneten Bewegungsfühlerη enthält, die auf begrenzte, in den Gelenken des Steuergeräts stattfindende Relativbewegungen ansprechen und die Tätigkeit der ihnen zugeordneten, in den Arbeitsarmgelenken angeordneten Kraftantriebe steuern.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung

eines Manipulators nach der Erfindung,

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Pig. 2 eine sehematisehe Darstellung

eines Ausführungsbeispiels eines elektrohydraulischen Drehantriebs, welcher bei dem erfindungsgemäßen Manipulator mehrfach Anwendung findet,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines für den

er findungs gemäßen Manipulator geeigneten Steuergerätes,

Fig, 4 eine Draufsicht des in Fig, 3

dargestellten Steuergeräts, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung

einer alternativen Ausführungsform eines Drehantriebs ähnlieh der in Fig. 2 dargestellten Anordnung, wobei jedoch zusätzlich noch die Betätigungskraft steuerbar ist.

Gemäß Fig. 1 ist der Arbeitsarm des erfindungsgemäßen Manipulators an einem Halteteil 10 befestigt, welches

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beispielsweise der Rumpf eines Unterseefahrzeugs sein kann. Der Manipulator weist einen Arbeitsarm 11 mit einem Oberarmteil 12, einem Unterarmteil 13 und einem Handteil auf. Das Oberarmteil 12 ist mittels einer "Schultergelenk"-Anordnung am'Halteteil 10 befestigt, welche einerseits eine Drehbewegung des Oberarmteils um eine Horizontalachse und andererseits eine Drehbewegung um eine Vertikalachse gestattet. Das untere Ende des Oberarmteils 12 ist um eine Horizontalachse 17 drehbar an einem Ende des Unterarmteils angelenkt. Das andere Ende des Unterarmteils 13 ist um eine weitere Horizontalachse 18 drehbar am Handteil 14 angelenkt. Das Handteil 14 ist um eine senkrecht mit Bezug auf die Achse 18 verlaufende Achse 20 schwenkbar und außerdem um eine senkrecht zur Achse 20 verlaufende Achse drehbar.

An der Schultergelenkanordnung am oberen Ende des Oberarmteils 12 ist ein Drehantriebsorgan SRA zur Drehung der Schultergelenkanordnung und folglich des gesamten Arbeitsarmes 11 um die Vertikalachse 16 und ein weiteres Drehantriebsorgan SPA zum Drehen des Arbeitsarmes 11 um die Horizontalachse 15 vorgesehen. An dem das untere Ende des Oberarmteils 12 mit einem Ende des Unterarmteils verbindenden "Ellbogengelenk" 17 ist ebenfalls ein Dreh-

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antriebsorgan EPA zur relativen Drehung dieser Teile um die Achse 17 angeordnet. Im Handgelenkbereich I¹Ja des Handteils 14, welcher das Unterarmteil mit dem Handteil verbindet, dient ein Betätigungsorgan WPA zur relativen Drehung dieser Teile um die Horizontalachse 18. Weitere Betätigungsorgane HPA und HRA dienen zur Schwenkbarkeit und Drehbarkeit des Handteils 1*1 um die Achsen 20 und 19ο Ein Betätigungsorgan GA ermöglicht eine Greif bewegung zwischen zwei parallelen Fingern oder Klemmbacken des Handteils Hl.

Die Fig. 1, 3 und 4 zeigen ein einen wesentlichen Bestandteil der Erfindung darstellendes Handsteuergerät 23, welches wiederum ein Oberarmteil 24, ein Unterarmteil 25 und ein Handteil 26 aufweist, wobei diese Teile grundsätzlich ähnlich den entsprechenden Gliedern 12, 13 und des Manipulatorarmes angeordnet sind. Die Steuergerätteile 24, 25 und 26 sind mittels steifer Blattfedern SRC, SPC, EPC, WPC, HPC und HRC miteinander verbunden, so daß das Steuergerät 23 im Ruhezustand in einer allgemeinen Grundstellung gehalten wird, in welchen die einzelnen Teile eine bestimmte relative Lage zueinander haben. Die Anordnung ermöglicht begrenzte Winkelbewegungen der Steuergerätteile an diesen Blattfedergelenken, wobei drehmoment-

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abhängige Aus gangs sign ale zur Steuerung der Drehantriebsorgane SRA, SPA, EPA, WPA, HPA und HRA des Manipulatorarmes 11 erzeugt werden. Die Ausbiegung der steifen Blatt feder ge lenke wird beispielsweise mittels einer Anzahl von veränderlichen Widerständen gemessen, die als lineare, durch Stifte 31 betätigbare Potentiometer 30 ausgebildet sein können,, Jeder Blattfeder ist ein Potentiometer 30 zugeordnet.

Das Steuergerät 23 ist mit einem Hand- bzw. Haltegriff versehen, so daß es mit der linken Hand festgehalten oder getragen werden kann. Der Haltegriff 32 entspricht dem Halteteil 10, an welchem der Manipulatorarm 11 angebracht ist, und ist an einem Ende der die Schultergelenksdrehung steuernden Blattfeder SRC angeordnet. Ferner weist das Steuergerät 23 einen zweiten Haltegriff 34 auf, der von der rechten Hand der Bedienungsperson ergriffen wird. Der Handgriff 34 entspricht dem Handteil 14 des Manipulatorarmes 11 und ist an einem Ende der die Handdrehung steuernden Blattfeder HRC befestigt.

Zum Gebrauch hält die Bedienungsperson den Haltegriff des Steuergerät mit der linken Hand und dem Haltegriff 34 mit der rechten Hand und bewegt den Haltegriff 34 durch

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Ausüben von Druck-, Zug- oder Drehkräften relativ zum Haltegriff 32. Dabei können einzelne oder alle Blattfedern des Steuergeräts 23 durchgebogen werden und steuern dann das jeweils zugeordnete Arbeitsar mge lenk im Sinne der Ausführung entsprechender Bewegungen. Unabhängig von der jeweiligen Lage des Steuergeräts 23 relativ zum Manipulatorarm 11 erzeugt eine Relativbewegung zwischen den beiden Haltegriffen 32 und 3^ eine entsprechende Relativbewegung zwischen dem Handteil lh des Armes 11 und dem Halteteil Ein mit einem Pinger betätigbarer Druck-/Zugring 36 ist am vorderen Ende des für die rechte Hand der Bedienungsperson vorgesehenen Haltegriffes 3^ vorgesehen und dient der Betätigung eines linearen Potentiometers 30 zur Steuerung des Greiferantriebsorgans GA im Handteil 14 des Manipulatorarms 11. Beim Aufhören von zwischen den beiden Haltegriffen 32 und 3^ des Steuergeräts ausgeübten Relativkräften hört die Bewegung des Arbeitsarmes 11 auf und der Arbeitsarm bleibt feststehend, bis er durch Wiederausüben von Relativkräften zwischen den beiden Haltegriffen erneut Bewegungsbefehle erhält.

Der Handgriff 32 ist an einem Ständer 38 angebracht, der einen senkrechten Teil und einen Sockel aufweist, auf -

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. ίο-

welch letzterem das Steuergerät bei Nichtgebrauch oder gewünschtenfalls auch im Gebrauch stehen kann. Außerdem kann der Sockel so verankert sein, daß die Bedienungsperson" nicht mit der linken Hand den Haltegriff 32 erfassen muß, sondern nur mittels der den Handgriff 34 erfassenden rechten Hand Kräfte relativ zum Sockel ausüben kann, welche das gleiche Ergebnis wie die Zweihandbedienung bringen. Dabei bleibt in vorteilhafterweise die linke Hand für andere Arbeiten frei.

In Fig. 1 sind mit strichpunktierten Linien 40 die Steuerleitungen zwischen den Steuerbefehlen erzeugenden Gelenken und den Antriebsorganen in den Manipulatorarmgelenken angedeutet.

Fig. 2 zeigt eine zur Steuerung eines hydraulischen Drehantriebs 42 für ein schematisch dargestelltes Manipulatorarmgelenk geeignete Anordnung. Der dargestellte Antrieb ist zum Zwecke der Vereinfachung der Beschreibung als Drehflügelantrieb gezeichnet, jedoch können selbstverständlich auch andere Bauarten Anwendung finden. Gemäß der Darstellung ist der Drehflügel 43 des Drehantriebs 42 mit einem Glied des betreffenden Manipulatorarmgelenkes und das

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Gehäuse 44 mit dem anderen Glied dieses Gelenkes verbunden. Durch Zuführen von unter Druck stehendem Hydraulikmittel auf eine der beiden Seiten 45 oder 46 des Drehflügels 43 und Ablassen des Hydraulikmittels auf der anderen Seite kann der drehflügel' in der gewünschten Richtung und entsprechend der Zufuhrgeschwindigkeit des Hydraulikmittels mit der gewünschten Geschwindigkeit gedreht werden. Das bei einem solchen Drehflügel erzeugte Drehmoment hängt von der über ihm stehenden Druckdifferenz ab. Durch Verwendung eines bekannten Stromungssteuerservoventils, wie es kommerziell beispielsweise in mehrstufiger, motorgesteuerter Form (nicht dargestellt) erhältlich ist, kann das Antriebsorgan 42 in Abhängigkeit von einem linearen Potentiometer 30 gesteuert werden, welches dem entsprechenden Biege federgelenk des Steuergeräts zugeordnet ist. Das Potentiometer 30 kann so geschaltet sein, daß es gleichzeitig das Maß der Öffnung einer Hydraulik zuführleitung auf einer Seite des Drehflügels 43 und einer Hydraulikrückleitung 49 auf der anderen Drehflügelseite steuern kann, indem durch das Potentiometer eingestellte Steuerströme durch zwei Steuerwicklungen 50 fließen, welche einem Spindelventil 51 zugeordnet sind. Dieses Spindelventil ist mittels zweier Druckfedern 52 in eine Überdeckungsstellung vorgespannt, in welcher die Hydraulikleitungen

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beiderseits des DrehflugeIs gestärkt sind. Zum Schutz des Manipulatorarmgelenks gegen Überlastungen können die beiden Drehflügelseiten durch federbelastete Rückschlagventile (nicht dargestellt) mit der Hydraulikrückleitung 49 verbunden sein. Die Bewegung der Ventilspindel 51 in der einen oder anderen Richtung und das Maß dieser Bewegung hängt von der jeweiligen Einstellung des Potentiometers ab und bestimmt seinerseits die Geschwindigkeit der Hydraulikmitteiströmung in das Drehantriebsorgan H2 hinein bzw. aus diesem heraus zum Zwecke der Drehung des Drehflügels mit entsprechender Geschwindigkeit. Beim Wiederzurückstellen des Potentiometers 30 in eine neutrale Stellung, was jedesmal dann geschieht, wenn die Eingangskraft auf das Handsteuergerät weggenommen wird, bringen die Federn 52 die Ventilspindel 51 in die in der Zeichnung dargestellte Überdeckungsstellung zurück.

Wenn der Manipulatorarm zum Schieben eines Gegenstandes benützt wird, kann die Schubkraft nicht vom Steuergerät gesteuert werden, falls die Servoventile des Antriebsorgans der in Fig. 2 schematisch dargestellten Strömungssteuerbauart angehören. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Armes und die durch diesen Arm auf einen Gegenstand ausgeübte Kraft gesteuert werden sollen, kann für die

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Antriebsorgane ein Servoventil der Drucksteuerbauart Anwendung finden, wie es beispielsweise schematisch in Fig, 5 dargestellt ist. Gemäß Fig. 5 ist ein Servoventil der in Fig. 2 gezeigten Bauart mit Druckrückführungskolben 55 versehen, welche auf die beiden Enden der Ventilspindel 51 wirken. Diese Rückführungskolben 55 bewirken, daß die Ventilspindel 51 in Abhängigkeit vom Aufbau eines Differenzdruckes über dem Drehflügel *J3, welcher der jeweiligen, durch den Steuerstrom in den Wicklungen auf die Ventilspindel ausgeübten Kraft entspricht, ihre Überdeckungsstellung einnimmt. Bei der in Fig. 5 schematisch dargestellten Steuerventilbauart mit Druckrückführung werden die Gelenke des Arbeitsarmes mit Geschwindigkeiten bewegt, welche durch die Zufuhrgeschwindigkeit des Hydraulikmittels bis an die erreichbaren Grenzen, welche durch die Verschiebung der Ventilspindeln 51 und ihren Widerstand gegen Bewegung festgelegt sind, zu ihren Antrieben bestimmt werden. So lange die Steuerspulen 50 eine Eingangssteuerkraft auf die Ventilspindel 51 eines gegebenen Antriebskreises aufrechterhält, welche einer Steuerkraft am Steuergerät 23 entspricht, bestimmt diese Eingangssteuerkraft die maximale Druckdifferenz, die sich über dem Drehflügel aufbauen kann, und steuert so das sich am zugehörigen Arbeitsarmgelenk aufbauende maximale Drehmoment. Durch die Drehmomentsteuerung aller Gelenke

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des Arbeltsarmes zusammen wird die maximale Kraft gesteuert, welche vom Arbeitsarm auf ein zu bewegendes Objekt ausgeübt wird« Wenn die von den Spulen erzeugte Eingangssteuerkraft auf die Ventilspindel 41 weggenommen wird,* also die Differenz der Kräfte der beiden Spulen 50 Null wird, so reagiert die Ventilspindel im Sinne eines Druckausgleichs über dem Drehflügel 43· Dies kann zu einer Drift des Manipulator armes führen, wenn das auf den Drehflügel 43 wirkende Armgewicht den Kraftausgleich an den Druckrückführungskolben in einer Weise beeinflußt, welche diese Unbalanz abzuschwächen sucht und ein Absinken des Armes ermöglicht. Zur Verhinderung dieser Drift kann die Bedienungsperson eine Kraft auf den Handgriff 34 in, der WI rkungs richtung des Armgewichtes entgegengesetzter Richtung bzw, bezüglich einer auf die Manipulatorhand wirkenden Kraft entgegengesetzter Richtung ausübt. Dadurch erhält die Bedienungsperson ein Kraftgefühl, welches bei gewissen Arbeitsaufgaben von Vorteil ist. Wenn diese Drift bei Unachtsamkeit der Bedienungsperson nicht erwünscht ist, kann es wünschenswert sein, ein Auffüllen des Hydraulikmittels im Antrieb 42 vorzusehen, wenn die Steuerkraft der Spulen 50 auf das Servoventil Null Ist„ Dies kann dadurch erreicht werden, daß beispielsweise eine geeignete Ausführung der Druckrückf ührungs ventile gewählt wird, oder indem nicht dargestellte, entsprechend

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dem Ausgang des Potentiometers 30 gesteuerte Hilfsventile vorgesehen werden.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit unmittelbar gekuppelten hydraulischen Drehantrieben für die Manipulatorarmgelenke beispielsweise beschrieben worden ist, können selbstverständlich auch andere Antriebsbauarten und/oder Verbindungen gleichwertig Anwendung finden» Während die Steuerung der Tätigkeit der Antriebe auf der Grundlage einer Gleichstromsteuerung beschrieben worden ist, indem am Servoventil auftretende Stexierstromdifferenzen benützt werden, können andere Bauarten von Steuereinrichtungen mit Wechselstromsteuerung, Impulsfolgefrequenzmodulation usw. Anwendung finden,, Im Falle einer Impuls folge frequenzmodulatx ons steuerung wird das Servoventil in Abhängigkeit von Steuerimpulsen unterschiedlicher Wiederholungsfrequenz und in Abhängigkeit von der Impulsbreite, die am Impulsgenerator eingestellt werden kann, impulsweise betätigt. Weitere Abwandlungen und nicht dargestellte Verfeinerungen können auch in jedem gegebenem Antriebssteuerkreis vorgesehen sein, beispielsweise eine Einstellbarkeit der Vorspannung und Verstärkung, Ein-Aus-Steuerung usw . .

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Claims

Patentansprüche

/l.y Manipulator mit einem Arbeitsarm, dessen relativ zueinander bewegliche Glieder durch Gelenke so miteinander verbunden sind, daß die zwischen ihnen herrschenden RelativbewegungsbeZiehungen in allen Relativstellungen der Armglieder beibehalten werden, ferner mit den genannten Gelenken zugeordneten Kraftantrieben und einem handbetätigbaren Steuergerät mit den Gliedern des Arbeitsarmes entsprechenden, relativ zueinander beweglichen Steue rungs gliedern, die durch Gelenke miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß, die, die Steuerungsglieder miteinander verbindenden Gelenke zwischen diesen Steue rungs gliedern jeweils begrenzte Relativbewegungen im gleichen Bewe gun gs sinne wie demjenigen des jeweils zugeordneten Arbeitsarmgelenkes gestatten, und daß das Steuergerät Steuermittel mit in den Gelenken des Steuergeräts angeordneten Bewe gun gsfüh lern enthält, die auf begrenzte, in den Gelenken des Steuergeräts stattfindende Relativbewegungen ansprechen und die Tätigkeit der ihnen zugeordneten, in den Arbeitsarmgelenken angeordneten Kraftantriebe steuern,

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2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke des Steuergeräts (23) als Blattfedern (SRC, SPC, EPC, WPC, HPC, HRC) ausgebildet sind und begrenzte relative Drehbewegungen zwischen den durch diese Gelenke miteinander verbundenen Steuerungsgliedern (24, 25» 26) ermöglichen und außerdem die Gelenke jeweils in eine Neutralstellung vorspannen, und daß die diesen Blattfedern zugeordneten Bewe gun gs fühler (30, 31) drehmoment abhängig arbeiten.
3. Manipulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsarm (11) einen Oberarm (12), einen Unterarm (13) und eine Hand (14) aufweist, daß weiter der Oberarm durch eine zwei Gelenke (SRA, SPA) aufweisende Schultergelenkanordnung mit einem den Arbeitsarm tragenden Halteteil (10) verbunden ist, wobei diese Schultergelenkanordnung Drehbewegungen um eine zum Halteteil etwa senkrechte Achse und Schwenkbewegungen um eine zu dieser Achse senkrechte Achse ermöglicht und wobei Oberarm und Unterarm sowie Unterarm und Hand jeweils durch ein Ellbogengelenk (EPA) bzw. ein Handgelenk (WPA) miteinander verbunden sind, deren Gelenkachsen zu einer der Schultergelenkachsen (15,

16) parallel sind.

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4. Manipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsamt mindestens ein Handdrehgelenk (HPA oder HRA) aufweist.

5« Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftantriebe (42) für die Arbeit s armge lenke hydraulisch betätigbar sind und daß die Steuermittel elektrohydraulisehe Servoventile (51) zur Steuerung der Tätigkeit der Kraftantriebe enthalten,

6, Manipulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Servoventile mit Druckrückführung des zu den Kraftantriebeh (42) zugeführten Hydraulikdruckes arbeiten.

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