DE2628701A1

DE2628701A1 - Fuehleranordnung fuer manipulatoren

Info

Publication number: DE2628701A1
Application number: DE19762628701
Authority: DE
Inventors: George Arthur Folchi; Jun Glenmore Lorraine Shelton; Sherman Sheau-Ming Wang
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-06-25
Publication date: 1977-01-20
Also published as: FR2316589B1; DE2628701C2; JPS526575A; JPS576531B2; GB1489040A; IT1064223B; US3948093A; CA1048811A; FR2316589A1

Description

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Änmelderin: YO 974 056

Fühleranordnung für Manipulatoren

Die Erfindung betrifft eine Fühleranordnung für Manipulatoren oder ähnliche, mit Greif- oder Fühlwerkzeugen ausgestattete Geräte, zur Ermittlung der durch das Objekt auf die Greifwerkzeuge bzw. andere Fühlerelemente ausgeübten Kräfte, zum Zwecke der Steuerung des Geräts unter Auswertung der ermittelten Signale.

In letzter Zeit setzen sich durch Computer gesteuerte Manipulatoren zur mechanischen Ausführung von Handhabungen verschiedener Art zunehmend durch. Dabei kommt der Aufgabe besondere Bedeutung zu, die jeweilige Orientierung des von dem Greifer erfaßten Objekts zu bestimmen. Diese Aufgabe ist bisher nur mit sehr komplexen Anordnungen mit vielen beweglichen Teilen gelöst worden, welche schwierig zu warten und zu reparieren sind. Dies gilt insbesondere für solche Fühleranordnungen, die alle sechs Freiheitsgrade erfassen können, nämlich die Kraftkomponenten in Richtung der drei Hauptachsen wie auch die Momente um diese Achsen. Eine weitere Schwierigkeit der bekannten Systeme dieser Art besteht darin, daß entweder nur bestimmte Kräfte erfaßt werden können, beispielsweise nur Zug- und Druckkräfte, oder andernfalls der Aufbau außerordentlich kompliziert ist. Dieser komplexe Aufbau und die Funktionsweise resultieren in einem entsprechend hohen Aufwand zur rechnerischen Ermittlung der gesuchten Kraftkomponenten. Dadurch wiederum wird die Echtzeitverarbeitung der gemessenen Werte schwierig, weil Prozeßsteuerungsrechner nur eine begrenzte Rechenzeit verfügbar haben.

609883/035 8

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fühleranordnung für Manipulatoren, wie sie eingangs beschrieben worden ist, zu schaffen, die einfach im Aufbau und in der Wartung ist, und die Kräfte und Momente aller sechs Freiheitsgrade bei geringem Rechenaufwand zu erfassen vermag. Diese Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst worden.

Der modulare Aufbau der erfindungsgemäßen Fühleranordnung hat den Vorteil, daß einheitliche Fühlerelemente in unterschiedlicher Konfiguration zusammensetzbar sind, und daß die Anordnung ohne bewegte Teile arbeitet. Die Kraft- und Homentkomponenten aller drei Hauptachsen können mit geringem Rechenaufwand einfach ermittelt werden. Die erfindungsgeraäße Anordnung bietet weiterhin den besonderen Vorteil, daß sämtliche Fühlerelemente einheitlich ausgebildet werfen kennen, so da^ ^i*³ Herstellung twA wartung «?nwiia η.ϊρ iürsatzteilhaltung stark vereinfacht sind.

.•lachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen in zwei Ausführungsbeisoielen erläutert. Hs zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer 6-Komponen

ten-Fühleranordnung zwischen den Greiferfingern und dem Antriebsblock eines von einem Computer gesteuerten Manipulators in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2A eine Vorderansicht eines Fühlerelements mit Deh-

nungsmeßelementen, wie es in der Anordnung nach Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 2B eine Draufsicht auf das Fühlerelement nach

Fig. 2A,

Fig. 2C eine Seitenansicht des Fühlerelements nach

Fig. 2A,

974 056 60988 3/0358

Fig. 3 eine schematische schaubildliche Darstellung eines Zwischenblocks als Verbindungsteil für die Fühlerelemente,

Fig. 4 eine vergrößerte schaubildliche Ansicht der Fühleranordnung nach Fig. 1 zur Darstellung der Kräfte- und Momentkomponenten,

Fig. 5 eine Wheatstone-Brücke zur Auswertung der von den

Dehnungsmeßelementen eines Fühlerelements abgegebenen Signale und '

Fig. 6 eine schematische schaubildliche Ansicht einer

gegenüber Fig. 1 abgewandelten, zweiten Ausführungsform einer Fühleranordnung.

Die in Fig. 1 dargestellte Fühleranordnung besteht aus einem Paar Fühlern 10 mit je sechs Freiheitsgraden, die jeweils zwischen einem Finger 12 des Greifers und einem zugehörigen Antriebsblock 14 eines Manipulators angeordnet sind. Beide Antriebsblocks 14, von denen nur der obere gezeigt ist, sind an einer Führungsschiene 15 geführt und befinden sich unter der Steuerung eines Computers 24. Die vom Computer 24 zugeführten Steuersignale werden Motoren 16, 18 und 20 für die Bewegungsrichtungen Neigen, Drehen bzw. Schwenken zugeführt, in deren Folge die Finger 12 relativ zum Arm 22 des Manipulators die entsprechenden Bewegungen ausführen. Der dargestellte Greifer kann daher um die drei Hauptachsen Drehbewegungen ausführen, nämlich in Neigungs-, Dreh- und Schwenkrichtung. Jede dieser Richtungen und die zugehörige Drehachse sind in Fig. 1 gekennzeichnet: Hierfür besteht das Gelenksystem aus drei Blocks G., G und G₃. Block G₁ wird bezüglich des Armes 22 mittels des Motors 18 gedreht, Block G„ ist mittels des Motors 20 relativ zum Block G um eine vertikale Achse schwenk-jbar und Block 3 wird mittels des Motors 16 in Neigungsrichtung _; relativ zum Block G_ um eine horizontale Achse 16 geneigt. Die drei

G09083/0358

YO 974 056

Drehachsen schneiden sich im Zentralpunkt Q. Das öffnen und Schlie-jßen der Finger 12 des Greifers erfolgt durch entsprechende Bewegungen der Antriebsblocks 14 auf der Führungsschiene 15, wozu αχεί se als Zahnstangenantriebe ausgebildet werden können. Der Antrieb für das Schließen und öffnen der Finger 12 ist nicht dargestellt.

Wie die Fign. 1, 2A, 2B, 2C und 3 zeigen, bestehen die Fühler 10 aus einer Anzahl Fühlerelemente 1OC, 1OD, 10F, 10G, 1OH, 1OL, j1ON und 1OP. Die vorgenannten Fühlerelemente sind untereinander !identisch, so daß anhand der Figuren 2A, 2B und 2C nur das Füh- ^lerelement 1OF erläutert wird. Wie aus Fig. 2A erkennbar, besteht

!das Fühlerelement 1OF aus einem Steg 30 mit beiderseits angeform-Iten Flanschteilen 36. Auf den Oberflächen des Steges .30 befindet Jsich je ein Paar Dehnungsmeßelemente 31, 33 bzw. 32 und 34. In den !Flanschteilen 36 befinden sich je zwei Bohrungen 38 zur Befestigunc jdes Fühlerelements an benachbarten Bauteilen, wie noch beschrieben !Werden wird.

Das Fühlerelement 1OF und seine Dehnungsmeßelemente 31 bis 34 sind infolge ihrer Gestaltung nur empfindlich gegen eine außermittig in Richtung der Y-Achse angreifende Kraft F_y und ein entsprechendes Biegemoment M„ um die Z-Achse. Die Z-Achse verläuft, wie sich aus den Figuren 2A und 2B ergibt, durch den Zentralpunkt R |des Fühlerelements 1OF. Jede auf den zugehörigen Greiferfinger

ausgeübte Kraft, die in Richtung der Y-Achse wirksam ist, und jedes Moment, das eine Komponente um die Z-Achse hat, wird somit in ein Drehmoment M₁₇ um den Zentralpunkt R umgewandelt. In andere Richtungen wirksame Kräfte oder Momente wirken sich auf die Dehnungsmeßelemente 31 bis 34 nicht aus, und zwar infolge der Kombination einer Vielzahl von Fühlerelementen für die einzelnen Kraft- und Momentrichtungen und der Signalauswertungen in der Wheatstone-Brücke gem. Fig. 5, zu der die Dehnungsmeßelemente 31 bis 34 zusammengeschaltet sind. Die Ausgangsspannung V_n an den Verknüpfungspunkten 35 und 37 der Wheatstone-Brücke (Fig. 5)

- 5 wird somit ausschließlich durch die Kräfte F_v und die Momente M„

JL U

bzw. die entsprechenden Komponenten beeinflußt.

Die Gestaltung der einzelnen Fühlerelemente 1OC, 1OD, 1OF usw. ' und die Lage der Dehnungsmeßelemente 31 bis 34 auf den Oberflächen \ der Stege 30 ermöglicht eine einfache Ermittlung der Ausgangsspannung des Dehnungsmeßelementsystems in Abhängigkeit von dem wirksamen Moment M . So kann die Ausgangsspannung V_ zwischen _;den Verknüpfungspunkten 35 und 37 der Wheatstone-Brücke gemäß Fig. 5 durch die folgende Formel dargestellt werden:

6M

V_ = V. χ G.F. χ %— = 1.5 Volt

^{R in} E b h²

wobei bedeuten:

V = erwartete Ausgangsspannung

V^_n = Eingangsspannung = 5 Volt Gleichstrom

G.F. = Dehnungsmeßfaktor =155

M_z = Max.Moment = 1.043 cmkg

E = Elastizitätsmodul = 2.2 χ 10⁶ bar

b = Breite des Steges 30 = 1,25 cm

h = Dicke des Steges 30 = 1,75 cm.

,Es ist zu bemerken, daß die oben genannten Zahlenwerte nur Bei-

j spiele zur Verdeutlichung darstellen.

'Den in Fig. 1 und 4 dargestellten modularen Aufbau der Fühleranordnung erhält man durch Zwischenblocks 40, 42, 44, 46, 48 und 50, mit denen die einzelnen Fühlerelemente 1OC, 10B, 1OF usw. verschraubt sind. Ein solcher Zwischenblock, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, enthält Gewindebohrungen 52, die, zum Zwecke des Verschraubens der Zwischenblocks mit den Fühlerelementen 10, mit den Bohrungen 38 der letzteren fluchten. Die Zwischenblocks 40, 42, 44 usw. enthalten gemäß Fig. 3 weiterhin Eckstücke 54, deren Form derjenigen der Flanschteile 36 der Fühlerelemente 10 angepaßt ist.

Ein Fühlerelement 10 kann somit jeweils mittels vier Schrauben

L 6(19883/0353 -

YO 974 056

!fest mit je einem Zwischenblock auf der einen und auf der anderen Seite verbunden werden, wie in den Fign. 1 und 4 verdeutlicht !ist. Die einzelnen Fühlerelemente 1OC, 10D, 1OF usw. sind, wie bereits erwähnt, untereinander identisch, so daß sie im Falle ,einer Schadhaftigkeit leicht ausgetauscht werden können. Außerdem erlaubt der modulare Aufbau verschiedene Konfigurationen für unterschiedliche Anwendungen.

ΐη Fig. 4 sind die Moment- und Kraftkomponenten in bezug auf einen speziellen Zentralpunkt 0 für eine Fühleranordnung dargestellt. Jede beliebige, an einem der Finger 12 des Greifers wirksame £raft kann mit dem dargestellten System in bezug auf den Zentralpunkt 0 ermittelt werden, und zwar durch Aufteilung in die folgenden sechs Komponenten: Kräfte F_x, F_x,.F_z und Momente M_x, My und M_z, jeweils bezogen auf den Zentralpunkt 0. Dabei wird das auf jedes der Fühlerelemente 10 wirksame Moment über die Dehnungsmeßelemente und die Wheatstone-Brücke gem. Fig. 5 angezeigt. Es seien im folgenden die durch die einzelnen Fühlerelemente ermittelten Momentwerte M durch deren Indexzeichen gekennzeichnet, wie z.B. die Momente M₀, M₅₁, M_G, Mg, M^ M_n. und M_p , wie durch die Pfeile in Fig. 4 dargestellt. Jedes dieser Momente kann in Koordinatenmomente bezüglich der X-, Y- und Z-Achse aufgeteilt werden. iDurch Einsetzen der Beziehungen zwischen Kräften und Momenten kann ;jedes der an den Fühlerelementenangreifenden Momente in bezug auf !den externen Angriff von Kräften durch die folgenden Gleichungen definiert werden:

j M_c = F_Y X C + M_z (2.1)

§ + M_x

⁽²*³⁾

χ § + M_x/2 (2.2)

⁼ V² -^FZ ^Xf -

= -F_z X f - V^{2 + M}X ^{X 1}Sr^{1 ί2}·⁵⁾

YO 974 056

609383/0358

	^{= F}x	XfH	h F_v χ	I	7	M_z/2	(2	.6)
	= -F_}		+ F_y X			M_z/2	(2	.7)
Mn	= -F_r	; χ g	+ M	+		(2	.8)
M

; wobei bedeuten:

; "a" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 1OD,

1OF, 1OL und 1ON von der X-Achse, ; "b" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 1OG und 1OH von der X-Achse,

! "c" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 1OC ; von der Y-Achse,

"d" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 1OD

und 1OF von der Y-Achse,
"e" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 1OG

und 1OH von der Y-Achse,
"f" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 1OL und 1ON von der Y-Achse und

"g" der Abstand des Zentralpunkts des Fühlerelements 1OP von der Y-Achse.

■Durch Kombination der Gleichungen (2.1) bis (2.8) erhält man die jfolgenden sechs Kraft- und Momentkomponenten in Richtung der bzw, jum die X-, Y- und Z-Achse:

^FY ⁼ ^¹¹L ^{+ 11}M	-M_c	)/	(f-c)	X	e]/(g-e)	(3.2)
F = (M₁, - M_)	/a			X	cj/(f-c)	(3.3)
M_x = (M₀₊ Mp)					(3.4)
H₇ = [(U_n + U_n X on	) χ	g			(3.5)
M₂, = [M X f -	^(ML	+	V		(3.6)

609883/0358

•50 974"O56 " "

26287Q]

Zur Ermittlung dieser Kraft- und Momentkomponenten in Richtung der !bzw. um die drei Koordinatenachsen sind lediglich neun Multiplikationen durchzuführen. Dies kann vorzugsweise durch den angeschlossenen Computer, gegebenenfalls in Paralleloperationen, ausgeführt werden.

j In der Alternativausführung nach Fig. 6 sind sechs Fühlerelemente 6OA, 6OB, 6OC, 6OD, 6OE und 6OF durch Zwischenblocks 62, 64, 66, 68 und 70 zu einem System verbunden. Wie in der Anordnung nach Fig. 1 wird auch hier der Antriebsblock 14 durch einen (nicht dargestellten) Antrieb längs der Führungsschiene 15 des Blocks G₃ zur Einstellung des Fingers 12 verstellt. Die auf die einzelnen Fühlerelemente wirksamen Momente M-, M„, M_c, M~, Mg und M₅₁ Sind jeweils mit den gleichen Indizes gekennzeichnet wie die zugehörigen Fühlerelemente 6OA, 6OB usw.

Jede Kraft und jedes Moment, das an einer beliebigen Stelle auf den Finger 12 wirksam wird, kann in die sechs Kraft- bzw. Moment-Komponenten F , F , F , M , M^ und M in bezug auf den Zenitralpunkt P zerlegt werden. Der Zentralpunkt P liegt im Schnittpunkt der Mittelachse des Fingers 12 und der durch die Zentral- \punkte der Fühlerelemente 6OA und 6OB führenden Achse. Aus den Beziehungen zwischen den Kräften und Momenten ergeben sich die folgenden Definitionen:

M_A = -F_y χ a + M_x (4.1)

Mg = -F_y χ b + M_x (4.2)

= -F_x χ c + M_z (4.3)

= -F_y χ d + F_z χ e + M_x (4.4)

= F_x χ f + My (4.5)

= F_x χ g + My (4.6)

609883/0358

YO 974 056

wobei bedeuten:

"a" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 1OA

vom Punkt P,
"b" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 6OB

vom Punkt P,
"c" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 6OC

vom Punkt P in Richtung der Y-Achse, "d" der Abstand der Zentralpunkte der Fühlerelemente 6OC

und 6OD vom Punkt P in Richtung der Z-Achse, "e" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 6OD

vom Punkt P in Richtung der Y-Achse, "f" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlerelements 6OE

vom Punkt P in Richtung der Z-Achse und "g" der Abstand des Zentralpunktes des Fühlere leinen ts 6OF vom Punkt P in Richtung der Z-Achse.

Durch Kombination der Gleichungen (4.1) bis (4.6) erhält man:

F_x = (M₅, - ry/ig-f) (5.1)

F_Y = (M_A - M₃)/(b-a) (5.2)

Μ_χ = (-Mg χ a + M_A χ b) /(b-a) (5.3)

= (M_F χ f - Mg χ g)/(f-g) (5.4)

= M_c + F_x χ σ (5.5)

+ F_Y χ d - M_x)/e (5.6)

ährend sich die vorgenannten Beispiele auf ein Fühlersystem mit isechs Freiheitsgraden erstrecken, können selbstverständlich auch !Systeme mit weniger, z.B. drei oder vier Freiheitsgraden aus

einer entsprechend geringeren Anzahl von Fühlerelementen gebildet werden, wenn die zu ermittelnden Kräfte ausschließlich in Richtung und in bezug auf die Achsen einer Ebene auftreten.

609883/0358

YO 974 056

Claims

-ΙΟΙ ι

PATENTANSPRÜCHE ·

Fühleranordnung für Manipulatoren oder ähnliche, mit \ Greif- oder Fühlwerkzeugen ausgestattete Geräte, zur Ermitt-j lung der durch das Objekt auf die Greifwerkzeuge bzw. an- ; dere Fühlerelemente ausgeübte Kräfte, zum Zwecke der Steuerung des Geräts unter Auswertung der ermittelten Signale, _: gekennzeichnet durch die Reihenschaltung einer Mehrzahl ^] von starr und lösbar miteinander verbindbaren Fühlerelementen (1OC, 1OD, 1OF, 1OG, 10H, 1OL, 1ON, 1OP; 6OA, 6OB, 6OC,
6OD, 6OE, 60F), welche je einen Satz auf den planparallelen
Ebenen eines zentralen Steges (30) angeordneter Dehnungs- j meßelemente (31 bis 43) aufweisen, wobei jedes Fühlerele- j ment (1OC, 1OD...; 6OA, 6OB...) durch seine Ausrichtung
einer der Hauptachsen (X, Y, Z) zugeordnet ist.

Fühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fühlerelemente (1OC, 10D,...; 6OA, 6OB...) aus einem als dünne Platte ausgebildeten Steg (30) und beiderseits
desselben symmetrisch angeordneten Flanschteilen (36) bestehen, wobei auf den beiderseitigen Ebenen des Steges
(30) je zwei Dehnungsmeßelemente (31 bis 34) befestigt
sind und die Flanschteile (36) mit Bohrungen (38) oder
ähnlichen Aussparungen zur Aufnahme von lösbaren Verbindungselementen versehen sind.

Fühleranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerelemente (1OC, 1OD..;

6OA, 6OB...) einheitlich ausgebildet sind.

Fühleranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Fühlerelemente (1OC,1OD...; 6OA, 6OB...) mit einem benachbarten
Fühlerelement, einem Greifwerkzeug (12) oder einem Antriebselement (14) Zwischenblocks (40, 42, 44, 46, 48, 50)

609883/0358

YO 974 056

vorgesehen sind, welche den Bohrungen (38) bzw. Aussparungen in den Flanschteilen (36) zugeordnete Bohrungen (52) aufweisen.

5. Fühleranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenblocks (40, 42, 44, 46, 48, 50) einheitlich ausgebildet sind.

6. Fühleranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßelemente (31
bis 34) an eine Wheatstone-Brücke (Fig. 5) angeschlossen sind.

609883/0358

YO 974 056