DE2435156C2 - Programmgesteuerter Manipulator - Google Patents

Programmgesteuerter Manipulator

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DE2435156C2
DE2435156C2 DE2435156A DE2435156A DE2435156C2 DE 2435156 C2 DE2435156 C2 DE 2435156C2 DE 2435156 A DE2435156 A DE 2435156A DE 2435156 A DE2435156 A DE 2435156A DE 2435156 C2 DE2435156 C2 DE 2435156C2
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Hans Ing.(Grad.) 8900 Augsburg Richter
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KUKA Schweissanlagen und Roboter GmbH
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Description

Die Erfindung betrifft einen programmgesteuerten Manipulator mit um mehrere Achsen bewegbarer, mehrgliedriger Hand (Greifer, Halter oder dgl.) und um mehrere Achsen bewegbarem mehrgliedrigem Arm, wobei die jeweiligen Glieder Untersetzungsgetriebe mit an deren Abtriebsteilen vorgesehenen Geberorganen (z. B. Winkelcodierer) aufweisen und mit Antrieben verbunden sind.
Solche Manipulatoren sind beispielsweise durch die DE-OS 22 26 407 bekannt. Um das diese Manipulatoren steuernde Programm in eine Programmiereinrichtung aufzunehmen, werden sie, sofern sie klein und daher leicht beweglich sind, von Hand mit ihrem Werkzeug über die vorgeschriebene Bahnkurve geführt, wobei gleichzeitig die an den Geberorganen entstehenden Werte gespeichert werden. Diese einfache Programmiermethode ist jedoch nur bei kleinen, leichten
Manipulatoren möglich, die leicht von Hand bewegbar sind, mit denen jedoch leider nicht so genau gearbeitet werden kann, wie mit großen und entsprechend schweren Maschinen, die die einzelnen Punkte einer Bewegungsbahn genau und exakt anfahren können. Solche schweren Geräte sind aber nicht mehr von Hand bewegbar und daher nicht einfach durch Nachfahren von Hand längs der Bewegungsbahn programmierbar. Man behilft sich in solchen Fällen dadurch, daß man den Roboter nur auf einzelne, in mehr oder weniger großem ι ο Abstand voneinander auf der Bahnkurve liegende Punkte manipuliert durch Anfahren der einzelnen Achsen und diese Punkte speichert. Bei der Wiedergabe werden die dazwischen liegenden Bahnpunkte durch Interpolation abgefahren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Manipulator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß seine Programmierung auch bei Ausführung als schwere und große Maschine rasch, einfach und leicht durchgeführt werden kann, so daß eine vorgeschriebene, auch noch so komplizierte Bahnkurve Punkt für Punkt, notfalls — bei entsprechendem Speicheraufwand — stetig, in einfacher Weise aufgenommen uijJ gespeichert und danach von dem Manipulator abgefahren werden kann. Es soll also durch die Erfindung sowohl die Programmierung erleichtert als auch die Güte der Programmaufnahme erhöht werden.
Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß dem Hand-Arm-GIiederaggregat ein von Hand bewegbares, eine Relativbewegung zum Hand-Arm-Gliederaggregat zulassendes, mehrgliedriges Lehrgerüst parallel zugeordnet ist, dessen Gliedern eine der Zahl der Achsen entsprechende Zahl von Schaltern zugeordnet ist, die bei einer Bewegung des Lehrgerüstes oder Teilen davon relativ zu den Hand-Armgliedern die zugehörige(n) Antriebsvorrichtung(en) ein- oder ausschalten zwecks maschineller Folgebewegung eines zur Programmierung an einem das Handende bildenden Getriebekopf befestigbaren Bahnführers oder Werkzeuges. Ein solches Lehrgerüst ist leicht und läßt sich « leicht nach allen Richtungen des Raumes beliebig bewegen. Durch die erfindungsgemäße Zuordnung des Lehrgerüstes zu dem Manipulator folgt diese·· exakt den Bewegungen des ersteren. Der relativ schwere Roboter läuft über die Geber gesteuert dem von Hand bewegten -»5 Lehrgerüst nach.
Die Handhabung des Lehrgerüstes gemäß der Erfindung erfordert wenig Kraft Die Programmierperson kann der zu absolvierenden Bahn exakt nachfahren. Die Antriebe des Robotergerätes brauchen nicht nur w nicht unwirksam gemach* zu werden, sondern bleiben im Gegenteil in voller Einsatzbereitschaft und kommen zu dem effektiven Einsatz, der in der Programmierung seinen Niederschlag findet.
Von den aus den Relativbewegungen zwischen den Lehrgerüstgliedern und den Hand-Armgliedern des Robotergerätes ableitbaren Schaltbewegungen bevorzugt die Erfindung eine Ausführung, bei der in den Achsen an den die Glieder der Hand bildenden Getriebeköpfen Kopplungsglieder zur Ankopplung an die Lehrgerüstteile befestigt sind, die als Drehrohrfedern bei einer Drehbelastung in Drehrichtung nachgeben und eine Schalterhälfte tragen, die gegenüber der an dem zugehörigen Getriebekopf festgelagerten Schalterhälfte relativ verdrehbar ist. Als Schalter können dabei Dehnmeßstreifen vorgesehen sein. Statt der Drehrohrfeder in Verbindung mit Dehnmeßstreifen können auch Drehpotentiometer als Weggeber dienen. An den Armgliedern sind Schaltorgane angebracht, die als Weggeber bei Relativbewegungen zwischen den Armgliedern und den ihnen zugeordneten Lehrgerüstteilcn wirksam werden. Wenigstens Teile des Lehrgerüstes sind an den Getriebeköpfen der Hand begrenzt nachgiebig abgestützt, z. B. durch Federn.
Weiter ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß den an den Getriebeköpfen befestigten Kopplungsgliedern in den Achsen Kopplungsglieder gegenüberstehen, die an den Lehrgerüstteilen befestigt sind, und daß die jeweiligen beiden sich gegenüberstehenden Enden durch je eine Gelenkkupplung miteinander verbunden sind, die nur eine reine Drehwinkelbewegung überträgt bei freier Beweglichkeit in allen übrigen Freiheitsgraden, z. B. eine Bogenzahnkupplung. Damit wird die von Hand an dem Lehrgerüst vorgenommene Führung an den den Getriebeköpfen parallel zugeordneten Lehrgerüstteilen exakt auf diejenige Bewegungskomponente beschränkt die von dem jeweiligen parallel zugeordneten Getriebekopf ausführbar ist während die anderen Bewegungskomponenten herausgefi'':;rt werden. Eine andere Art der Herausfilterung mcht gewünschter Bewegungskomponenten der Relativbewegungen zwischen Getriebeköpfen und Lehrgerüstteilen besteht gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung darin, daß zwischen den Getriebeköpfen und den zugeordneten Lehrgerüstteilen für jede Achse je zwei elektrische Weggeber in Differenzschaltung in einer rechtwinklig zur zugeordneten Achse verlaufenden Ebene angeordnet sind, deren Schaltstifte an einer parallel zur Achse verlaufenden Schaltfläche anliegen, wobei die Weggeber an dem einen Paarungsteil, vorzugsweise Getriebekopf, und die Schaltfläche an dem anderen Paarungsteil, vorzugsweise Lehrgerüstteil, befestigt sind.
Zweckmäßig sind die Glieder des Lehrgerüstes durch Kugellager miteinander verbunden, deren Achsen koaxial zu den Achsen der Getriebeköpfe liegen. Sie erlauben eine exakte spielfreie koaxiale Lagerung bei leichtgängigem Zusammenhalt, von dem weitere Einzelheiten in dem ein Ausführungsbeispiel nach der Zeichnung beschreibenden Teil noch dargelegt sind.
Bezüglich der Geschwindigkeit der Bahnbewegung und ihrer Berücksichtigung bei der Programmierung sind drei verschiedene Arten zu unterscheiden, je nach der Art der Handreichung, die der Manipulator auszuführen hat: Beim Punktschweißen kommt es z. B. allein auf die Schweißpunkte an, während die Geschwindigkeit zum Anfahren der einzelnen aufeinanderfolgenden Punkte von untergeordneter Bedeutung ist und die Befehle dazu extern gegeben werden können, z. B. in Abhängigkeit von der Schweißzange jeweils nach öffnen der Zange nach vollzogener Schweißung. Hierfür genügt es, bei der Aufnahme des Programms innerhalb der nachzufahrenden Bahn nur die diesen Punkten und allenfalls einigen Zwischenpunkten entsprechenden Bahnprogrammdaten (We&meßdaten), z. B. durch Drücken eines am Lehrgerüst ;twa an einem Handgriff desselben angebrachten elektrischen Schaltknopfes abzuspeichern. Besonderer Berücksichtigung bedürfen dagegen Arten der Handreichung, wie z. B. Lichtbogenschweißen, wobei es sehr wichtig ist, daß der Brenner mit konstanter Geschwindigkeit entlang der zu programmierenden Bahn geführt wird, oder wie z. B. Farbspritzen, wobei die Spritzpistole mit variabler Geschwindigkeit entlang der zu programmierenden Bahn geführt werden .nuß. Für solche Art Handreichungen müssen deshalb zu den Wegmeßdaten noch Geschwindigkeitsmeßdaten hinzutreten. Die Program-
mierperson wäre jedoch überfordert, wenn sie z. B. zur Programmierung einer Bahn zum Zwecke des Lichtbogenschweißens die der späteren Schweißnaht entsprechende Bahn mit konstanter Geschwindigkeit abfahren sollte. Die Erfindung sieht daher eine Einrichtung zur geschwindigkeitsneutralen Aufnahme der zu programmierenden Bahn vor. Dazu ist gemäß der Erfindung dem an dem Getriebekopf zur Programmierung befestigbaren Bahnführer ein Laufrad zum Abrollen an der zu absolvierenden Bahn zugeordnet, das nach Abrollen an •inter sich gleichen Wegabschnitten als Weggebertaktvorrichtung die Bahnprogrammdaten in die Programmvorrichtung eingeben läßt. Die von dieser Weggebertaktvorrichtung geschwindigkeitsneutral einspeicherbaren Wegmeßdaten sind von einem auf gleiche Zeitabstände einstellbaren Taktgeber (als Zeitgebertaktvorrichtung) abrufbar. Damit wird eine geschwindigkeitsneutral programmierbare Handreichung vom Gerät bei seiner Handreichung mit konstanter Geschwindigkeit ausführbar.
Vorteilhafierweise kann der erfindungsgemäße Manipulator für die Programmwiedergabe noch eine Steuer-Regel-Schaltung aufweisen, mit der eine von Störeinwirkungen unabhängige Programmwiedergabe erreicht wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt
Fig. I eine Seitenansicht eines Manipulators,
F i g. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch die die Glieder der Hand bildenden Getriebeköpfe,
F i g. 3 ein Blockschaltbild eines einer Bewegungsachse zugeordneten Teils der Programmvorrichtung.
Fig.4 ein Schema-Diagramm für die Arbeitsweise der Steuer-Regel-Schaltung,
F i g. 5 ein Schema-Diagramm des in der Programmvorrichtung verwendeten Taktsignals,
F i g. 6 einen Ausschnitt aus F i g. 2 mit einer
einer anderen Ausführung der Schaltimpulserzeugung.
Bei dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Manipulator ist auf einem Gestell 1 ein um eine lotrechte Drehachse I-l drehbarer Drehsockel 2 gelagert, an dem ein um eine waagerechte Drehachse 11-11 schwenkbares Oberarmpaar 3 angelenkt ist, von dem in Fig. I nur ein Arm ersichtlich ist. An dem Oberarmpaar ist ein Unterarm 4 um eine waagrechte Ellenbogengelenkachse III-III angelenkt sowie an einer Achse 70 das eine Ende eines Strebenpaares 5, dessen anderes Ende den Unterarm 4 in einer Gleitführung hält. Der Drehantrieb für den Drehsockel 2, das Oberarmpaar 3 und das Strebenpaar 5 erfolgt von je einem schnellaufenden elektrischen Scheibenläufermoior. die allesamt im Drehsockel gelagert sind, über Riemen und stark untersetzende Getriebe, und zwar für das Oberarmpaar 3 an seiner Nabe und für den Unterarm 4 an der Nabe des Strebenpaares 5. Diese Drehantriebe halten in ihrer Ruhelage die genannten Glieder auch in ihrer jeweils eingestellten Winkellage fest
Koaxial zur Ellenbogengelenkachse III-III sind drei Riemenscheiben im Oberarmpaar 3 gelagert, die über Riemen von je einem im Drehsockel 2 stationierten elektrischen Scheibenläufermotor antreibbar sind und von denen eine Riemenscheibe über ein Kegelräderpaar und ein stark untersetzendes Getriebe eine Hohlwelle 71 des Unterarmes 4 treibt Diese Hohlwelle 71 trägt an ihrem aus dem Unterarm 4 herausragenden freien Ende einen die Handwurzel bildenden Getriebekopf 6 in der aus F i g. 2 ersichtlichen Gestalt Dieser Getriebekopf 6 ist um eine Drehachse IV-IV rundum drehbar. Von einer anderen koaxial zur Ellenbogengelenkachse III-III gelagerten Riemenscheibe ist über ein Kegelräderpaar eine koaxial zur Achse IV-IV in der Hohlwelle 71
*> gelagerte Hohlwelle 72 antreibbar. Sie trägt an ihrem in den Getriebekopf 6 ragenden Ende eine elliptische Wellenscheibe 73 mit aufgezogenem Kugellagerkranz 74 und einer darauf aufgezogenen elastischen, außenverzahnten Stahlbüchse 75, deren im Bereich der größeren Ellipsenachse liegenden Zähne ständig mit der Innenverzahnung 76 des mit gleicher Zahnteilung, jedoch mehr Zähnen innenverzahnten Getriebekopfes 6 im Eingriff sind. Dies bildet ein stark untersetzendes Getriebe, dessen Abtrieb über ein Kegelräderpaar 77,
ι > 78 auf einen ersten Getriebekopf 7 übertragen wird, der um eine Achse V-V drehbar ist und rechtwinklig zu der Achse IV-IV des Getriebekopfes 6 angeordnet ist. Von einer dritten koaxial zur Ellenbogengelenkachse III-III gelagerten Riemenscheibe ist über ein Kegelräderpaar
-" eine koaxial zur At-hse iV-iV in der Huniweiic 72 und in dem Getriebekopf 6 gelagerte Hohlwelle 79 antreibbar. Sie trägt an ihrem Ende ein Kegelrad 80. das mit einem Kegelrad 81 einer in dem Getriebekopf 7 koaxial zu dessen Achse V-V gelagerten Welle 82 kämmt. Ein am
-'*> anderen Ende dieser Welle 82 befestigtes Kegelrad 83 kämmt mit einem Kegelrad 84, das mit einer elliptischen Wellenscheibe fest verbunden ist, auf der in der für die Teile 73—76 schon beschriebenen Weise ein Kugellagerkri.iz und eine darauf aufgezogene elastische
» außenverzahnte Stahlbüchse aufgezogen ist, deren im Bereich der größeren Ellipsenachse liegenden Zähne ständig mit der Innenverzahnung des mit gleicher Zahnteilung, jedoch mehr Zähnen innenverzahnten ersten Getriebekopfes 7 im Eingriff ist, der die aus der Fig. 2 ersichtliche Gestalt hat. An der elastischen außenverzahnten Stahlbüchse sitzt fest ein das äußere Handendglied bildende Getriebekopf 8. in Doppelkugellagern im Getriebekopf 7 abgestützt, jedoch um eine zu dessen Achse V-V rechtwinklige Achse VI-VI rundum
w drehbar bis zu 360°.
Diesem Hand-Arm-Gliederaggregat ist ein zum Zwecke des bequemen Anfassens und leichteren Handhabens mit einem Handgriff 9 versehenes bewegbares, mehrgiiedriges Lehrgerüst parallel zugeordnet. Das erste den Handgriff 9 tragende Glied dieses Lehrgerüstes besteht aus einem um die Achse VI-VI drehbaren Außenring 10 eines Kugellagers 11, dessen unverdrehbarer Innenring 12 — unter Fortlassung weiterer konstruktiver Einzelheiten in der Zeichnung über die Verklammerung der beiden Ringe untereinander — Bestandteil eines zweiten, um die Achse V-V drehbaren Lehrgerüstgliedes ist mit den — beispielsweise käfigartig ausgesteiften — Verbindungsstangen 15,24 und dem drehbaren Innenring 13 des der Achse V-V des Getriebekopfes 7 zugeordneten Kugellagers 14. Der unverdrehbare Außenring 16 dieses Kugellagers 14 ist durch entsprechende Lehrgerüstglieder 17, 25 mit dem drehbaren Innenring 18 des der Achse IV-IV des Getriebekopfes 6 zugeordneten Kugellagers 19 fest verbunden und bildet ein drittes Lehrgerüstglied. Der unverdrehbare Außenring 20 des Kugellagers 19 ist mit einem in Fig.2 gegenüber Fig. 1 um 90° versetzt angedeuteten Lehrgerüstglied 21 des Armgliedes 4 fest verbunden und bildet ein weiteres
" Lehrgerüstglied, das entlang des Unterarmes 4 bis zur EHenbogengelenkachse IH-IH führt, wo es durch einen freien Drehbolzen 22 an dem einen Ende eines weiteren Lehrgerüstgliedes 23 angelenki jst, das mit seinem
anderen Ende um die Achse H-Il am Drehsockel 2 drehbar angelenkt ist. Außer an diesem Haltepunkt findet das Lehrgerüst durch eine Anzahl von elastischen Elementen 26, 26a —e eine Abstützung in der in F i g. 2 schematisch angedeuteten Weise an den Gelenkköpfen, ΐ um dem Lehrgerüst eine Relativbewegung gegenüber dem Hand-Arm-Gliederaggregat zu ermöglichen.
Wird zwecks Programmierung des Manipulators ein an de;*; Getriebekopf 8 befestigter Bahnführer 32, der auch dai Werkzeug sein kann, in der zu absolvierenden Bahn, etwa an dem zum Gerätegestell 1 in die Arbeitsposition gebrachten Werkstück er.danggeführt durch Handhabung an dem vorteilhafterweise am Drehring 10 angebrachten Handgriff 9 und dabei angenommenenfalls nur um die Achse VI-VI gedreht, so ι > wird die.se Drehbewegung von dem Drehring 10 über dessen Nabe 10' auf ein in der Achse Vl-Vl daran befestigtes Kopplungsglied in Form einer Welle 28 übertragen. Das an seinem Ende sitzendes Zahnrad mit Bogenverzahnung übertrag! diese Drehbewegung win· kelgetreu über eine Kupplungshülse einer Bogenzahnkupplung 27 auf das entsprechend ausgebildete Zahnrad, das am Ende eines koaxial am Getriebekopf 8 sitzenden Kopplungsgliedes 8' sitzt, dessen Endabschnitt als Drehrohrfeder 29 ausgebildet ist. Diese n Drehrohrfeder 29 gibt unter der Drehbelastung der Drehung am Handgriff 9 in Drehrichtung nach. Dadurch wird die an dieser Drehrohrfeder sitzende Schalterhälfte gegenüber der an dem zugehörigen Getriebekopf 8 über das Kopplungsglied 8' festgelagerten Schatterhälf- «' te 30 relativ verdreht und gibt über ein Leitungspaar 30' ein elektrisches Signal, das der Relativverdrehung proportional ist, an den der Getriebekopf 8 bewegenden Antriebsmotor, dessen Drehzahl entsprechend der Größe des Signals gesteuert wird. Sein eingeschalteter r> Trieb läßt den Getriebekopf 8 und damit den Bahnführer der Handführung am Handgriff 9 in dem gewünschten Sinn folgen, bis die Verdrehung durch die Hand am Handgriff 9 aufhört.
In der gleichen Weise ist an dem Lehrgerüstteil 24 in der Achse V-V ein Kopplungsglied 24' vorgesehen, dem unter Kupplung mit einer Bogenzahnkupplung31 ein an dem Getriebekopf 7 befestigtes Kopplungsglied T in Form einer Drehrohrfeder gegenübersteht, die unter Drehbelastung mitsamt ihrer Schalterhälfte gegenüber 4"> einer an dem Getriebekopf 7 befestigten Schalterhälfte 33 relativ verdrehbar ist und über ein Leitungspaar 33' einen elektrischen Signalimpuls an die dem Getriebekopf 7 zugehörige Antriebsvorrichtung gibt. Ebenso ist an dem Lehrgerüstteil 17 in der Achse IV-IV ein '" Kopplungsglied 17' vorgesehen, dem unter Kupplung mit einer Bogenzahnkupplung 34 ein an dem Getriebekopf 6 befestigtes Kopplungsglied 6' in Form einer Drehrohrfeder gegenübersteht, die unter Drehbelastung mitsamt ihrer Schalterhälfte gegenüber einer an dem Getriebekopf 6 befestigten Schalterhälfte 35 relativ verdrehbar ist und über ein Leitungspaar 35' einen elektrischen Signalimpuls auf die dem Getriebekopf 6 zugehörige Antriebsvorrichtung gibt
Wird bei der beschriebenen Ausbildung der Kopp- ω lung zwischen den Lehrgerüstgliedern und den Getriebeköpfen an dem Handgriff beispielsweise ein Drehmoment auf das Lehrgerüst um die Achse V-V ausgeübt, so erfolgt wegen des Widerstandes des im Ruhestand feststehenden Getriebekopfes 7 eine Verdrillung der Drehrohrfeder des Kopplungsgliedes T und damit eine Relatiwerdrehung der an ihr befestigten Schalterhälfte gegenüber der an dem Getriebekopf 7 befestigten Schalterhälfte 33 mit dem Ergebnis einer elektrischen Signalgabe über das Leitungspaar 33' an den zum Getriebekopf 7 gehörenden Antriebsmotor. In entsprechender Weise funktioniert ein am Handgriff 9 um die Achse IV-IV ausgeübtes Drehmoment.
Die erläuterten Kraftausübungen am Handgriff können bei der beschriebenen Ausbildung des Lehrgerüstes auch in beliebiger Kombination ausgeübt und zur Signalgabe auf mehrere Antriebsmotore gleichzeitig genutzt werden. Daß dabei jeweils nur reine Drehwinkel-Verstellung an den Schaltern 29, 33 und 35 zur Wirksamkeit kommen, wird durch die Bogenzahnkupplungen 27, 31 und 34 sichergestellt, die außer in der Zahnteilung in allen anderen Freiheitsgraden gelenkig sind, so daß sie wie ein mechanisches Filter wirken.
Wird am Handgriff 9 in der in Fig. 2 angedeuteten Richtung des Pfeiles A gezogen, so wird das Lehrgerüst entgegen dem Widerstand des Hand-Arm-Gliederaggregates relativ zu diesem in der genannten Pfeilrich- !ung beweg·., was die elastischen Elemente 26, 26s—c ermöglichen. Hiorvon bleiben die Drehrohrfedern 29,6' und T unberührt, zumal die Bogenzahnkupplungen 27 und 34 in axialer Richtung nachgeben und die Bogenzahnkupplung 31 auf die in radialer Richtung verlaufende Bewegung nicht anspricht. Vielmehr überträgt sich die Bewegung in der genannten Pfeilrichtung Über eine nicht dargestellte Zusammenhaltung am Kugellager 11 und 19 auf die Lehrgerüstglieder 21 und von hier über die freien Drehbolzen 22 in der Achse III-III auf das Lehrgerüstglied 23 und läßt dieses sich um die Anlenkung am Drehsockel 2 in der Achse H-II geringfügig verschwenken. Dabei erfolgt eine Relativbewegung zwischen der am Lehrgerüstglied 23 befindlichen Schalterhälfte gegenüber der am Oberarm
3 befestigten Schalterhälfte 38, womit über das Leitungspaar 38' ein elektrischer Schaltimpuls auf den dem Oberarm 3 zugeordneten Antriebsmotor gegeben wird.
Erfährt durch eine Handbewegung am Handgriff 9 das Lehrgerüstglied 21 eine Relativbewegung gegenüber dem Unterarm 4, erfährt auch eine an dem Lehrgerüstglied 21 befestigte Schalterhälfte eine Relativbewegung gegenüber der anderen an dem Unterarm
4 vorgesehenen Schalterhälfte 36 und läßt über die Leitungspaare 36' dem den Unterarm 4 betätigenden Antriebsmotor für die Strebe 5 einen Signalimpuls geben.
Ein weiterer Schalter 37 ist senkrecht zur Zeichnungsebene der F i g. 1 wirkend zwischen dem Lehrgerüstglied 21 und dem Unterarm 4 vorgesehen, der bei Verstellbewegungen um die lotrechte Achse I-I wirksam wird und über Leitungspaare 37' den den Drehsockel 2 treibenden Antriebsmotor ein- bzw. ausschalten läßt, wenn die Verstellkraft aufhört Für die Rückstellbewegung sind entsprechende elastische Elemente vorgesehen, von denen die dargestellten Elemente 26, 26a—e nur einen Teil bilden.
Eine andere Möglichkeit der Schaltimpulse zur Steuerung der Antriebsmotore besteht darin (vgL F i g. 6), daß an einer Konsole 6" des Getriebekopfes 6 zwei elektrische Weggeber 92 und 93 — z. B. in Form von Potentiometern oder Tauchspulen — in einer rechtwinklig zur Achse IV-IV verlaufenden Ebene in bezug auf diese Achse radial hintereinander befestigt sind. Ihre Schaltstife 92" und 93" liegen unter Federkraft nachgiebig an einer Schaltfläche 17" an, die an dem Lehrgerüstteil 17 befestigt ist und parallel zur zugeordneten Achse IV-IV verläuft Die beiden
ten Bahnabschnittes im Programmspeicher abgespeichert.
Wenn diese für konstante Wegstücke abgespeicherten Wegmeßdaten nacheinander in konstanten Zeitabständen abgerufen werden, wird die zuvor geschwindig- ■; keitsneutral aufgenommene Bahn.geschwindigkeitskonstant wiedergegeben. Hierzu enthält die in Fig.3 dargestellte Programmvorrichtung eine Zeitgebertaktvorrichtung 51, die die zum Abrufen der Wegmeßdaten in konstanten Zeitabständen erforderlichen Taktsignale liefert. Die Frequenz der Takisignalgabe der Zeitgebertaktvorrichtung 51 kann dabei noch einstellbar sein, so daß damit auch die absolute Größe der in sich konstanten Wiedergabegeschwindigkeit einstellbar ist. Damit ist die mit konstanter Geschwindigkeit durchzuführende Handreichung z. B. des Lichtbogenschweißens geschwindigkeitsneutral programmierbar.
Wenn im Gegensatz zur geschwindigkeitsneutralen Aufnahme die Abspeicherung der Wegmeßdaten der zu programmierenden Bahn nicht nach konstanten Wegabständen mit Hilfe der Weggebertaktvorrichtung 39, sondern nach konstanten Zeitabständen mit Hilfe der Zeitgebertaktvorrichtung 51 erfolgt, dann ergibt sich damit die beispielsweise zur Handreichung des Farbspritzens erforderliche Aufnahme mit echter, in sich variabler Geschwindigkeit. Da das Abrufen der gespeicherten Wegmeßdaten mit derselben Zeitgebertaktvorrichtung 51 erfolgt, erfolgt auch die Wiedergabe mit der Aufnahmegeschwindigkeit.
Die Programmvorrichtung für das erfindungsgemäße Manipulatorgerät weist für jede der vorhandenen Bewegungsachsen, im beschriebenen Beispiel also für die sechs Achsen 1-1 bis Vl-VI, je eine im Aufbau und in der Funktion im wesentlichen übereinstimmende, in Fig.3 für die Achse Vl-Vl schematisch dargestellte Abteilung auf, wobei jedoch die Weggebertaktvorrichtung 39 und die Zeitgebertaktvorrichtung 51 gemeinsam für alle sechs Abteilungen nur einmal vorhanden ist. Die einzelnen Bausteine der Programmvorrichtung sind dabei dem Fachmann so wohl im Aufbau, als auch in der Wirkungsweise an sich bekannt.
Jeder der zuvor ervähnten Abteilungen der Programmvorrichtung besteht im einzelnen aus einem der Bewegungsachse zugeordneten Winkelkodierer 40, der bei der Programmaufnahme der jeweiligen Raumlage dieser Achse entsprechende Wegmeßdaten über eine Leitung 52 an einen Programmspeicher 41 meldet, wo diese im Zeitpunkt der Taktgabe am Knopf 9a (siehe F i g. 2) bei Aufnahme für Punktsteuerung, im Zeitpunkt der Taktgabe der Weggebertaktvorrichtung 39 über Leitung 170 bei Aufnahme unabhängig von der Aufnahmegeschwindigkeit oder im Zeitpunkt der Taktgabe der ZeitgebertaktvorrichtungSl über Leitung 53 bei Aufnahme mit echter Geschwindigkeit als Sollwerte abgespeichert werden.
Bei der Programmierwiedergabe werden diese Sollwerte nacheinander jeweils im Zeitpunkt der externen Taktgabe bei der Punktsteuerung oder im Zeitpunkt der Taktgabe der Zeitgebertaktvorrichtung 5t über Leitung 53 bei Wiedergabe mit konstanter Geschwindigkeit oder mit echter Geschwindigkeit — je nach Art der Aufnahme — abgerufen und über eine Leitung 54 einem Soll/lstwert-Vergleicher 42 zugeführt und ständig mit gleichzeitig vom Winkelkodierer über eine Leitung 52/55 gemeldeten, dem tatsächlichen Zustand der Bewegungsachse entsprechenden Istwerten verglichen. Der dabei als Ergebnis des Sollwert-Istwert-Vergleichs erhaltene Differenzwert wird über eine Weggeber sind zueinander in Differenz geschaltet, d. h. von den Weggel>ern 92, 93 je nach Eintauchtiefe der Schaltstifte 92", 93" erzeugten Spannungen wird nur die Differenz dieser- Spannungen zur Schaltimpulserzeugung herangezogen. Das hat zur Folge, daß beispielsweise bei einer Relativbewegung zwischen Lehrgerüstglied 17 und Getriebekopf 6, die als alleinige Komponente eine Bewegung senkrecht zur Zeichenebene der Fi g. 2 bzw. 6 enthält, die von den Weggebern erzeugten Spannungen sich zwar ändern, die Differenz jedoch, da beide Schaltstifte sich um das gleiche Maß bewegen, sich nicht ändern. Ebensowenig ändert sich die Differenz, wenn die Relativbewegung als alleinige Komponente eine Bewegung in der Zeichnungsebene enthält. In beiden Fällen erfolgt also keine Schaltimpulsgabe zur Antriebsvorrichtung. Die Differenz ändert sich jedoch, wenn die Relativbewegung eine Drehwinke!- änderungskomponente in bezug auf die Achse IV-IV enthält, was in der Nebenfigur ?'> F i g. 6 dargestellt ist. wo die Schaltfläche 17" zwei verschiedene in ausgezogenen und in strichlierten Linien dargestellte Drehwinkellagen in Bezug zum Getriebekopf 6 bzw. zur Konsole 6" einnimmt. Zwischen diesen Lagen ist nicht nur die absolute von den Weggebern erzeugte Spannung verschieden, sondern infolge der unterschiedlichen Eintauchtiefen der Schaltstifte ist auch die Differenz zwischen den beiden Differenzspannungen in den beiden Lagen verschieden, so daß eine entsprechende Schaltimpulsgabe auf die zugeordnete Antriebsvorrichtung erfolgt. Eine entsprechende Anordnung ist auch für die Achsen V-V und VI-VI vorstellbar.
Wenn in dem vorstehend beschriebenen Beispiel ein Manipulator unterstellt ist, dessen Glieder im Ruhezustand feststehen wegen der Bremsstellung ihrer Motore und damit den Widerstand bilden, der Voraussetzung ist zur Erzeugung einer Relativbewegung bei der Handführung, so kann das ebensogut bei einem Manipulator vorgenommen werden, der in sich entsprechend schwergängig ist, wie z. B. hydraulisch betätigbare.
Die mit dem von Hand 9 an dem Bahnführer 32 durch das erfindungsgemäße Lehrgerüst ausgelösten Folgebewegungen des eigentlichen Manipulators werden durch einen nicht gezeichneten, da bekannten Weggeber — im vorliegenden Fall Winkelkodierer — in die Programmvorrichtung des Gerätes eingespeichert, welche den Manipulator die eingespeicherte Bahnbewegung selbsttätig wiederholen läßt unter Vermittlung einer Steuerschaltung.
Dem zur Programmierung an dem Getriebekopf befestigbaren Bahnführer ist ein Laufrad 39a zum Abrollen an der zu absolvierenden Bahn zugeordnet, das nach Abrollen an unter sich gleichen Wegabschnitten als Weggebertaktvorrichtung 39 die Bahnprogrammdaten in die Programmvorrichtung 41 eingeben läßt
Das Laufrad 39a ist in einem Langlochpaar entgegen der Kraft einer Feder 39d hinter das eine Zeigerspitze 39c aufweisende freie Ende des Bahnführers 32 zurückschiebbar, damit auch an stark gekrümmten Abschnitten der zu programmierenden Bahn, wovon in F i g. 2 ein Beispiel angedeutet ist, wo beispielsweise der Bahnführer einen weiten Weg zurücklegen muß, das Laufrad selbst aber nur eine geringe oder gar keine Abrollbewegung auf der Bahn vollzieht, ein leichtes und sicheres Führen des Bahnführers gewährleistet ist
Mit Hilfe dieser Weggebertaktvorrichtung werden die den einzelnen Bewegungsachsen zuzuordnenden Wegmeßdaten jeweils nach Zurücklegen eines konstan-
Il
Leitung 56 ein ;m Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) '13 zugeführt, wo dieser digitale Differenzwert in einen entsprechenden Analogwert umgewandelt wird.
Im Fall der Punktsteuerung wird dieser Analogwert über eine Leitung 69, einen bei der Punktsteuerung durch Drücken einer Taste 50 geschlossenen Schalter 68 und eine Leitung 67 einem Transistorregler 47 zugeführt, der die entsprechenden Steuersignale für den Antriebsmotor 48 erzeugt, der — wie schon erwähnt — ein elektrischer Scheibenläufermotor ist und nach Drehzahl und Laufrichtung (je nach dem Vorzeichen des Sollwert-Istwert-Vergleichs) steuerbar ist.
Falls an Stelle der erwähnten elektrischen Motore andere Antriebsvorrichtungen, wie z. B. Hydraulikantriebe, vorgesehen sind, sind an Stelle des Transistorreg- ι lers 47 entsprechende Servoventileinrichtungen zu denken.
Im Falle der Bahnsteuerung — gleichgültig ob mit konstanter oder mit der Aufnahmegeschwindigkeit übereinstimmender echter Geschwindigkeit — wird durch entsprechendes Drücken der Taste 50 der Schalter 68 geöffnet und gleichzeitig ein Schalter 62a geschlossen, wie das in F i g. 3 in dicken Linien dargestellt ist. Die Steuervorgänge laufen bei der Bahnsteuerung bis zum D/A-Wandler 43 einschließlich in der gleichen Weise ab wie vorstehend für die Punktsteuerung beschrieben.
Der im Zeitpunkt der Taktgabe, d. h. der zu Beginn der Taktzeit vom D/A-Wandler 43 erzeugte Analogwert wird einerseits über eine Leitung 57 einem Analogwertspeicher 44 zugefü.irt, dort für den Verlauf der Taktzeit vorübergehend gespeichert und gleichzeitig über die Länge der Taktzeit über einen Leitungszug 60,62,62a, 626 als Steuersignal an den Transistorregler 47 weitergeleitet, der den Motor 48 entsprechend diesem im Verlauf der Taktzeit gleichbleibenden Steuersignal nach Richtung und Drehzahl steuert und so der zugeordneten Bewegungsachse eine entsprechende Gründgeschwindigkeit, die dem Abstand zürn nächsten Bahnpunkt proportional ist, erteilt. ίο
Der zu Beginn der Taktzeit vom D/A-Wandler 43 erzeugte Analogwert wird andererseits über eine Leitung 58 einem Verstärker 45 zugeführt, wo dieser Analogwert (Wert Delta 5 in F i g. 5) auf den maximalen Wert der Zeitkurve des Taktsignals verstärkt wird. Der Verstärker rastet auf dem dabei ermittelten Verstärkungsfaktor ein und hält diesen Faktor während der Restdauer der Taktzeit konstant, d. h. alle im weiteren Verlauf der Taktzeit vom D/A-Wandler 43 ankommenden und sich laufend ändernden Analogwerte werden mit diesem zu Beginn der Taktzeit ermittelten Verstärkungsfaktor verstärkt Diese so verstärkten Analogwerte werden über eine Leitung 63 an einen Regler 46 weitergeleitet und dort mit dem Verlauf der Taktsignal-Zeitkurve verglichen. Falls dabei der verstärkte Analogwert vom zugehörigen Wert der Taktsignal-Zeitkurve abweicht, wird diese Abweichung vom Regler 46 als Regelabweichung über einen Leitiingszug 64,61,62,62a, 62b an den Transistorregler
47 weitergeleitet und dort dem Steuersign.'! überlagert, d. h. der Transistorregler 47 addiert laufend das Steuersignal und das Regelsignal und steuert den Motor
48 entsprechend dem Additionsergebnis.
Damit die einzelnen Bausteine der vorstehend erwähnten Steuer-Regel-Schaltung auch genau in Übereinstimmung mit dem Takt arbeiten, sind diese an die Zeitgebertaktvorrichtung 51 angeschlossen, und zwar D/A-Wandler 43 über Leitung 59/59a, Analogwertspeicher 44 über Leitung 59/596, Verstärker 45 über Leitung 59/59Cund Regler 46 über Leitung 59/59d Die Zeitgebertaktvorrichtung 51 erzeugt ein sägezannförmiges, nach Größe und Dauer einstellbares Taktsignal, wie es in Fig.5 dargestellt ist, auf dessen jeweiligen Wert der vom D/A-Wandler 43 kommende Analogwert mit dem zu Beginn der Taktzeit aus dem Anfangsanalogwert Delta 5 und dem maximalen Taktsignalwert ermittelten Verstärkungsfaktor verstärktwird.
Die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Steuer-Regel-Schaltung ist in Fig.4 graphisch dargestellt. In der Abszisse sind dabei die Wegabstände der einzelnen Bahnpunkte P\, P^, Pi und in der Ordinate die Geschwindigkeit der zugeordneten Bewegungsachse aufgetragen. Die waagerechten Linien parallel zur Abszisse geben dabei die dem Taktzeitanfangsanalogwert entsprechende und dem Bahnpunktabstand proportionale Grundgeschwindigkeit wieder, während die schlangenförmige Linie um die Abszisse die der Regelabweichung entsprechende Regelgeschwindigkeit wiedergibt. Die eingezeichnete Überlagerungsgeschwindigkeit ist das Additionsergebnis von Gründgeschwindigkeit und Regelgesehwindigkeät.
Auf diese Weise wird sichergestellt, daß mit Ablauf der Taktzeit der Getrieoekopf 8 bzw. das daran befestigte Werkzeug in jedem Fall den anzufahrenden Bahnpunkt erreicht unabhängig von einer eventuellen Einwirkung einer Störgröße.
In Fig.3 ist schließlich noch ein Tachomel.-- 49 am Motor 48 dargestellt, der mit dem Transistorregler 47 über eine Leitung 66 verbunden ist und zur Überwachung der Geschwindigkeit dient.
Die für eine Handreichung, wie z. B. Lichtbogenschweißen oder Farbspritzen neben den Bahnmeßdaten noch erforderlichen Steuerdaten werden in bekannter, nicht dargestellter Weise über ein Gerätesteuerpult eingegeben.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

1 Patentansprüche:
1. Programmgesteuerter Manipulator mit um mehrere Achsen bewegbarer, mehrgliedriger Hand (Greifer, Halter oder dgL) und um mehrere Achsen bewegbarem, mehrgliedrigem Arm, wobei die jeweiligen Glieder Untersetzungsgetriebe mit an deren Abtriebsteilen vorgesehenen Geberorganen aufweisen und mit Antrieben verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hand- ίο Arm-Gliederaggregat (6,7,8; 2—4) ein von Hand (9) bewegbares, eine Relativbewegung zum Hand-Arm-Gliederaggregat zulassendes, mehrgliedriges Lehrgerüst (10—25) parallel zugeordnet ist, dessen Gliedern eine der Zahl der Achsen (I-I bis VI-Vl) is entsprechende Zahl von Schaltern (30,33,35,36,37, 38) zugeordnet ist, die bei einer Bewegung des Lehrgerüstes oder Teilen davon relativ zu den Hand-Armgliedern die zugehörige(n) Antriebsvorrichtung(en) ein- oder ausschalten zwecks niaschineller Fojgebewegung eines zur Programmierung an einem das Handende bildenden Getriebekopf (8) befestigbaren Bahnführers (32) oder Werkzeuges.
Z Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Achsen (VI-VI, V-V, IV-IV) an den die Glieder der Hand bildenden Getriebeköpfen (8,7,6) Kopplungsglieder (8', T, 6') zur Ankopplung an die Lehrgerüstteile (10, 24,17) befestigt sind, die als Drehrohrfedern bei einer Drehbelastung in Drehrichtung nachgeben und eine Schalterhälfte tragen, die gegenüber der an dem zugehörigen Getriebekopf festgelagerten Schalterhälfte (30, 33, 35) relativ verdrehbar ist.
3. Manipulator nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den At mgliedern (4,3) Schaltorgane (36, 37, 38) angebracht sind, ce als Weggeber bei Relativbewegungen zwischen den Armgliedern und den ihnen zugeordneten Lehrgerüstteilen (21, 23) wirksam werden.
4. Manipulator nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens Teile des Lehrgerüstes (15,24,17,25) an den Getriebeköpfen (7,6) der Hand begrenzt nachgiebig abgestützt sind (bei26,26a-e;.
5. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den an den Getriebeköpfen (8, 7, 6) befestigten Kopplungsgliedern (8', T, 6') in den Achsen (VI-VI, V-V, IV-IV) Koppiungsgiieder (28, 24', 17') gegenüberstehen, die an den Lehrgerüstteilen (10,24,17) befestigt sind, und daß die jeweiligen beiden sich gegenüberstehenden Enden durch je eine Gelenkkupplung (27, 31, 34) miteinander verbunden sind, die nur eine reine Drehwinkelbewegung überträgt bei freier Beweglichkeit in allen übrigen Freiheitsgraden, z. B. eine Bogenzahnkupplung.
6. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Getriebeköpfen (6, 7,8) und den zugeordneten Lehrgerüstteilen (17, 24, 10) für jede Achse (IV-IV bis VI-VI) je zwei elektrische &o Weggeber (92, 93) in Differenzschaltung in einer rechtwinklig zur zugeordneten Achse (z. B. IV-IV) verlaufenden Ebene angeordnet sind, deren Schaltstifte (92", 93") an einer parallel zur Achse (z. B. IV-IV) verlaufenden Schaltfläche (z. B. 17") anliegen, wobei die Weggeber (92, 93) an dem einen Paarungsteil, vorzugsweise Getriebekopf (z. B. 6) und die Schaltfläche (z. B. 17") an dem anderen Paarungsteil, vorzugsweise Lehrgerüstteil (z. B. 17) befestigt sind.
7. Manipulator nach einem der Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß Glieder des Lehrgerüstes durch Kugellager (11, 14, 19) oder Gleitlager miteinander verbunden sind, deren Achsen koaxial zu den Achsen (IV-IV, V-V, VI-VI) der Getriebeköpfe liegen.
8. Manipulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einem koaxial zur Achse (VI-VI) des Handende bildenden Getriebekopfes (8) angeordneten Kugellagerdrehring (10) ein Handgriff (9) sitzt
9. Manipulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der unverdrehbare Innenring (12) des dem Getriebekopf (8) zugeordneten Kugellagers (11) durch die Lehrgerüstglieder (15, 24) mit dem drehbaren Innenring (13) des der Achse (V-V) des ersten Getriebekopfes (7) zugeordneten Kugellagers (14) fest verbunden ist, daß der unverdrehbare Außenring (16) des Kugellagers (14) durch die Lehrgerüstglieder (17, 25) mit dem drehbaren Innenring (18) des der Achse (IV-IV) des Handwurzelgetriebekopfes (6) zugeordneten Kugellagers (19) fest verbunden ist, und daß der unverdrehbare Außenring (20) des Kugellagers (19) mit dem Lehrgerüstglied (21) des Armgliedes (4) fest verbunden ist
10. Manipulator, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem zur Programmierung an dem Getriebekopf (8) befestigbaren Bahnführer (32) ein Laufrad (39a) zum Abrollen an der zu absolvierenden Bahn zugeordnet ist, das nach Abrollen an unter sich gleichen Wegabschnitten als Weggebertaktvorrichtung (39) die Bahnprogrammdaten in eine Programmvorrichtung eingeben läßt.
11. Manipulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (39a^ am freien Ende des Bahnführers (32) in einer Längsführung (39b) entgegen einer Federkraft (39d) zurückschiebbar ist.
12. Manipulator nach Anspruch 10 oder U, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Weggebertaktvorrichtung (39) einspeicherbaren Wegmeßdaten von einem auf gleiche Zeitabstände einstellbaren Taktgeber (Zeitgebertaktvorrichtung 51) abrufbar sind.
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