DE3038466A1

DE3038466A1 - Manuell programmierbarer manipulator

Info

Publication number: DE3038466A1
Application number: DE19803038466
Authority: DE
Inventors: Gerald W. Elyria Ohio Crum; Brian M. Amherst Ohio Rooney
Original assignee: Nordson Corp
Current assignee: Nordson Corp
Priority date: 1979-10-12
Filing date: 1980-10-11
Publication date: 1981-04-23
Also published as: JPS5662779A; US4283764A; CA1125892A; SE8006236L; FR2467061A1; IT8025241A0; FR2467061B1; GB2060204B; GB2060204A; NO802919L; IT1133851B

Description

Beschreibung

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem programmierbaren Manipulator, der insbesondere während dermanuellen Programmierung antriebsunterstützt ist.

Programmierbare Manipulatoren werden seit vielen Jahren zur wiederholten Ausführung relativ komplizierter Bewegungsabläufe benutzt, welche der Manipulator eingeübt hat, oder auf welche er programmiert worden ist. Typischerweise besteht der Manipulator aus mehreren verbundenen Gliedern. An jedem Verbindungspunkt oder Gelenk sind ein Auslöser und ein zugehöriger Positionswandler lokalisiert. Indem den Auslösern eine Reihe geeigneter elektrischer Bewegungssteuersignale zugeführt wird, die während der Programmier- oder Einübphase aufgezeichnet worden sind, können die Glieder relativ zueinander zur Ausführung des erwünschten Bewegungsablaufs bewegt werden.

Die Positionswandler liefern kontinuierlich Signale, die die relativen Positionen der jeweiligen Manipulatorglieder anzeigen. Während der Ausführung eines Programms durchlaufen die Ausgänge der Positionswandler Servosteuerschleifen, um sicherzustellen, daß die verschiedenen Glieder die gewünschte oder programmierte Bewegung ausführen, die von den gespeicherten Bewegungssteuersignalen vorgeschrieben wird. Während des Programmierens

13 0 0 17/0828

werden die Ausgänge der den verschiedenen Manipulatorgliedern zugeordneten Positionswandler so aufgezeichnet, daß sie später reproduziert und ihren jeweiligen zugeordneten Servo-Positionsschleifen zugeführt werden können, um die vorher eingeübte Bewegung ausführen zu können.

Bislang wurde die Bewegung der Manipulatorglieder während des Programmierens üblicherweise auf eine von mehreren möglichen Wegen ausgeführt. Bei einer Möglichkeit wurde ein Steuerknüppel zum Steuern der Auslöser während des Programmierens so verwendet, daß die Manipulatorglieder sich zur Positionierung des Manipulatorendgliedes entsprechend der manuellen Manipulation des Steuerknüppels bewegen. Ein Nachteil dieser Programmierung besteht darin, daß das Trainieren des Manipulators nicht durch manuelles Bewegen des Manipulatorendgliedes ausgeführt wird, an welchem beipielsweise eine Sprühpistole oder dergl. befestigt ist, sondern eben durch Bewegung eines Steuerknüppels ausgeführt wird. Während eine mit der Sprühpistole geübte Arbeitskraft die Sprühpistole in dem gewünschten Muster zum Besprühen eines Gegenstandes bewegen kann, ist diese Arbeitskraft meistens nicht sehr geschickt darin, die Bewegung einer am Ende eines Manipulators befestigten Sprühpistole mit einem Steuerknüppel wirksam zu steuern. Daher kann der Manipulator nur schwer von einem in der Handhabung der Sprühpistole geübten Maler programmiert werden, kann daher vielmehr nur durch eine Arbeitskraft programmiert werden, der spezielle Geschicklichkeit, die ein Maler üblicherweise nicht besitzt, zu Gebote steht.

Ein zweiter Weg zum Programmieren eines Manipulators arbeitet mit einem zusätzlichen kleineren Programmier-

130017/0826

Manipulator, der bis auf die Masse und das Fehlen der Auslöser für die Glieder in jeder Hinsicht dem wesentlich größeren zu programmierenden Arbeitsmanipulator gleicht. Zum Programmieren des Arbeitsmanipulators wird das Endglied des Programmier-Manipulators manuell von der mit dem Programmieren befaßten Arbeitskraft ergriffen und durch eine Folge von Bewegungsschritten geführt, die der Arbeitsmanipulator nacheinander ausführen soll. Da der Trainings-Manipulator nur leichtgewichtig ist, kann er von der Arbeitskraft mit nur geringer Schwierigkeit manuell bewegt werden. Wenn der Programmier-Manipulator den erwünschten Bewegungsablauf durchläuft, liefern die Positionswandler an den Gelenken seiner Glieder elektrische Signale, die für die spätere Rep-roduktion aufgezeichnet und den Auslöser-Servoschleifen des Arbeitsmanipulators eingegeben werden. Daher befindet sich der Arbeitsmanipulator während des Programmierens in Ruhe. In ähnlicher Weise befindet sich während der Ausführung der programmierten Schritte durch den Arbeitsmanipulator der Programmier-Manipulator in Ruhe. Der offensichtliche Nachteil einer Verwendung eines Programmier-Manipulators besteht darin, daß ein eigener Manipulator, obgleich von geringem Gewicht'und ohne Auslöser, erforderlich ist, der bis auf das Programmieren keinen weiteren Nutzen bringt. Dies erhöht unnötigerweise die Kosten des Systems und erfordert entweder eine Positionsverlagerung oder ein mechanisches überwechseln an der Stelle des Manipulators , wobei der eine durch den anderen ersetzt wird.

Ein dritter Weg zum Programmieren eines Manipulators sieht Auslöser steuernde elektrische Schalter an den Manipulatorgelenken vor. Die Schalter sprechen auf geringe Bewegung der Manipulatorglieder an, wenn die

130017/0826

038466

Arbeitskraft das Endglied des Manipulators während des Programmierens körperlich erfaßt und versucht, es durch den gewünschten Bewegungsablauf zu bewegen. Wenn der Programmierer während des Programmierens versucht, das Manipulator-Endglied zu bewegen, findet eine geringfügige Bewegung der Manipulatorglieder statt, die an den Gelenken durch die dort befindlichen elektrischen Schalter erfühlt werden. Die Schalter sprechen an und aktivieren die jeweiligen zugehörigen Auslöser und bewegen die Glieder in der Richtung der auf die Gelenke durch die Manipulatorglieder beim Programmieren manuell ausgeübten Kraft. Nach diesem Schema werden die schalterbetätigten Auslöser während des Manipulator-Programmierens entweder aktiviert oder entregt mit der Folge, daß der Manipulator sehr rückweise anspricht. Während diese Programmiermöglichkeit in der Patentliteratur vor vielen Jahren beschrieben worden ist, ist sie niemals in ausreichend zufriedenstellender Weise kommerzialisiert worden.

Ein viertes Programmierverfahren sieht vor, daß die Auslöser kurzgeschlossen oder abgekoppelt werden und der Manipulator so ausgeglichen wird, daß die Arbeitskraft ihn leichter durch den gewünschten Bewegungsablauf bewegen kann. Die Trägheit des Manipulators bleibt jedoch, und selbst eine leichtgewichtige Maschine stellt eine wesentliche Masse dar und beschränkt die freie Beweglichkeit erheblich.

Daher ist es ein Anliegen der Erfindung, einen programmierbaren Manipulator zu schaffen, der auf manuelle Kräfte anspricht, die auf das Manipulator-Endglied während des Programmierens ausgeübt werden, und glatte,

1300 17/0 8 28

3Q384S6

gleichmäßige Manipulatorbewegungen ermöglicht, ohne daß beim Programmieren mit einem Steuerknüppel, einem gesonderten Programmier-Manipulator kleinerer Ausführung oder Einrichtungen zum Entkoppeln der Auslöser und zum Ausbalancieren der Manipulatorglieder gearbeitet werden müßte.

Dies wird durch Merkmale der Erfindung erreicht, gemäß denen bei einem Manipulator mit mehreren hintereinander geschalteten Gliedern, die an Gelenken zugehörige Auslöser und Positionswandler haben, einige der Glieder relativ leicht sind, wie etwa diejenigen, die das "Handgelenk" bilden, und andere relativ massiv ausgeführt sind, wie etwa diejenigen, die das Handgelenk mit einem stationären Fundament verbinden, wobei mehrere Kraftwandler auf Kräfte ansprechen, die auf die massiven Glieder über das Handgelenk übertragen werden, wenn das Endglied des Manipulators manuell längs des gewünschten Bewegungsweges bewegt wird, und wobei die Ausgänge der Kraftwandler ihren zugehörigen Auslösern zugeführt werden, um eine antriebsunterstützte Bewegung der massiven Glieder in Richtung der auf sie übertragenen manuellen Kraftkomponenten zu schaffen. Die äntriebsunterstützte Bewegung der massiven Glieder, die mit nicht angetriebenen Bewegungen der das Handgelenk bildenden leichten Glieder gekoppelt sind, ist allein auf die manuelle Kraft zurückzuführen, die auf das Manipulator-Endglied durch den Programmierer ausgeübt wird, wobei die Bewegungen zusammengenommen das Endglied des Robotors längs des Pfades bewegen, längs dessen es durch die manuelle Kraft des Programmierers vorher geführt worden ist. Die Ausgangssignale dieser Kraftwandler, die auf nicht vertikale manuelle Programmier-Kraftkomponenten ansprechen, werden gegenüber Trägheitseffekten der

13C017/0826

-Jtr -

leichten Arme kompensiert, die außerhalb der Kraftwandler lokalisiert sind. Die Ausgangssignale der Kraftwandler, die auf die vertikale Programmier-Kraftkomponenten ansprechen, werden in bezug auf Gravitationseffekte des äußeren Handgelenks wie auch auf Trägheitseffekte kompensiert.

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung, der teilweise dem Lokalisieren der Kraftwandler zwischen den leichten Gliedern des Handgelenks und den massiven Gliedern zwischen Handgelenk und Fundament zuzuschreiben ist, besteht darin, daß der Kraftwandlerausgang zur Veränderung der Orientierung des Handgelenks nicht justiert werden muß, was sonst notwendig wäre, wenn die Kraftwandler am Manipulator-Endglied, d.h. weiter außen als das Handgelenk, lokalisert wären.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Manipulators besteht darin, daß die Kraftwandler seriell zu den Manipulatorgliedern liegen. Die Kraftwandler selbst sprechen auf die resultierende Kraft an, die auf das Endglied des Manipulators ausgeübt wird. Da die Kraftwandler tatsächlich auf die auf das Endglied des Manipulators ausgeübte resultierende Kraft ansprechen, würde dann, wenn der Programmierer stolpern und fallen sollte, und dabei das Manipulator-Endglied gegen seinen Körper ziehen sollte, die auf den Körper des Programmierers von den antriebsunterstützten Gliedern ausgeübte Kraft nicht diejenige Kraft überschreiten _r die der Programmierer selbst auf das Endglied des Manipulators ausübt.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung der Kraftwandler in Reihe mit den Manipulatorgliedern besteht darin, daß

130 0 17/0826

303846a

während der Ausführung der programmierten Schritte die Kräfte in den Manipulatorgliedern überwacht werden können, und daß, wenn sie einen vorbestimmten Sicherheitswert überschreiten, der Manipulator abgeschaltet und/oder ein geeigneter Alarm ausgelöst werden kann.

Gegebenenfalls kann das "Gefühl" des Manipulators während des manuellen Programmierens, d.h. seine Ansprech-Charakteristik auf manuelle Programmierkräfte, wie sie im wesentlichen durch den Programmierer bestimmt sind, durch weitere Kompensation der Kraftwandlerausgänge erhöht werden. Im einzelnen können die Kraftwandlerausgänge entsprechend der dritten zeitlichen Ableitung der Auslenkung des Handgelenks modifiziert werden.

Die vorstehend erwähnten sowie weitere Merkmale, Vorteile und erreichbare Ziele der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispxels deutlicher hervortreten. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Manipulators, aus der der allgemeine Zusammenhang der Manipulatorglieder, Auslöser und Positionswandler erkennbar wird?

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht der Kraftwandler;

Fig. 3a Schaltungsdiagramme der elektrischen - 3c Brücken, in denen die Kraftwandler jeweils für die Richtungen X', Y⁵ und Z¹ geschaltet sind; und

130017/0828

5038466

Fig. 4a schematische Schaltungsdiagramme einer und 4b bevorzugten Ausführungsform der Steuerschaltung gemäß der Erfindung zur Erläuterung der Schaltung, die sowohl beim Programmiermodus wie auch beim Ausführmodus verwendet wird.

Gemäß Fig. 1 weist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen Sockel 1Ö auf, der auf einem Fundament o. dgl. Stützfläche für den Manipulator ruht. Von dem Sockel 10 ausgehend erstrecken sich mehrere, hintereinander verbundene langgestreckte angelenkte Glieder 12 von relativ großer Masse, die dem Manipulator mehrere Freiheitsgrade verleihen, sowie mehrere hintereinander verbundene langgestreckte gelenkig verbundene Glieder von relativ kleiner Masse, die dem Manipulator mehrere weitere Freiheitsgrade ermöglichen. In der bevorzugten Ausführungsform ermöglichen die angelenkten Glieder 12 und 14 gemeinsam, daß der Manipulator eine Gesamtzahl von sechs Freiheitsgraden besitzt.

Die Reihe aneinander angelenkter Glieder 12 weist ein Fußglied 16, ein Zwischenglied 18 und ein vorderes Glied 20 auf, die sämtlich eine relativ massige Struktur haben und aus Stahl oder anderem hochfesten Werkstoff gefertigt sein können. Das Fußglied 16, das Zwischenglied und das vordere Glied 20 sind jeweils etwa 1 - 3 Fuß lang und haben ein Gewicht im Bereich von 50 bis 400 lbs. Das Fußglied 16 ist vertikal angeordnet und auf dem Sockel 10 über ein geeignetes Gelenk befestigt, das dem Fußglied es ermöglicht, um seine Längsachse, die mit der X-Achse zusammenfällt, zu drehen. Ein Betätigungsorgan, Stellmotor o. dgl. 22, ist dem Fußglied 16 zugeordnet und spricht auf ein Positionsbefehlssignal an und erleichtert eine Rotation des Fußgliedes 16 in der einen oder anderen Richtung, und zwar in der Azimut-

130017/08 26

Richtung um seine Längsachse. Dem Fußglied 16 ist ferner ein Positionswandler 24 zugeordnet, der ein mit der Winkel- oder Azimut-Position des Fußgliedes 16 relativ zum Sockel 10 korreliertes elektrisches Signal liefert.

Das Zwischenglied 18 ist an seinem inneren Ende mit dem oberen Ende des Fußgliedes 16 über ein geeignetes Gelenk verbunden, das eine Auf-Ab-Schwenkbewegung des Zwischengliedes in einer vertikalen Ebene um eine horizontale Achse 26 ermöglicht, die senkrecht zur X-Achse und parallel zur Y-Z-Ebene liegt. Dem Zwischenglied 18 ist ein Betätigungsorgan 28 zugeordnet, das auf ein Positionsbefehlssignal anspricht und eine aufwärts oder abwärts gerichtete Schwenkbewegung des Zwischengliedes um die Horizontalachse 26 je nach Wunsch erleichtert. Ferner ist dem Zwischenglied 18 ein Positionswandler 30 zugeordnet, der ein elektrisches Signal liefert, welches der Erhebungsposition des Zwischengliedes relativ zum Fußglied 16 korreliert ist.

Das vordere Glied 20 ist an seinem inneren Ende mit dem äußeren Ende des Zwischengliedes 18 über ein geeignetes Gelenk verbunden, welches es dem vorderen Glied 20 ermöglicht, in einer vertikalen Ebene um die horizontale Achse 32 sich zu bewegen, die parallel zur Achse 26 liegt. Ein geeigneter Wandler 34 ist dem vorderen Glied zugeordnet und liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das der winkelmäßigen Erhebungsposition des vorderen Glieds 20 bezüglich des Zwischenglieds 18 korreliert ist. Ein Betätigungsorgan 33 ist dem vorderen Glied 20 zugeordnet, das auf ein Positionsbefehlssignal anspricht und eine Schwenkbewegung des vorderen Gliedes 20 um die horizontale Achse 32 aufwärts oder abwärts je nach Wunsch erleichtert.

130017/0826

J038466

Das Betätigungsorgan 24, welches das Fußglied 16 in zwei Richtungen um die X-Achse antreibt, verleiht dem Manipulator einen Freiheitsgrad, nämlich eine azimutale Positionierbewegung, während die Betätigungsorgane 28 und 33, die das Zwischenglied 18 und das vordere Glied jeweils in zwei Richtungen antreiben können, dem Manipulator zwei Freiheitsgrade verleihen, nämlich jeweils in Erhebungsrichtung.

Die angelenkten Glieder 14, die gemeinsam eine Art Handgelenk bilden, umfassen die hintereinander verbundenen Glieder 38, 40 und 42. Das innerste Glied 38 ist an seinem inneren Ende mit einem geeigneten Gelenk an dem äußeren Ende 20a des vorderen Glieds 20 verbunden. Ein Betätigungsorgan 44 ist dem inneren Glied 38 zugeordnet und ermöglicht dessen Drehung in zwei Richtungen um seine Längsachse, die zusammenfällt mit der Längsachse des vorderen Glieds 20. Ein geeigneter Positionswandler 46 ist dem inneren Glied 38 zugeordnet und liefert ein elektrisches Signal, das zu der relativen Dreh-Position des inneren Glieds 38 bezüglich des vorderen Glieds 20 korreliert ist.

Das Mittelglied 40 ist an seinem inneren Ende über ein geeignetes Gelenk mit dem Außenende des inneren Gliedes so verbunden, daß eine Drehbewegung des Mittelgliedes um seine Längsachse ermöglicht ist, die senkrecht zur Längsachse des inneren Gliedes 38 sich erstreckt. Ein Betätigungsorgan 48 ist dem Mittelglied 40 zugeordnet und kann das Mittelglied 40 um seine zur Achse des inneren Gliedes 38 senkrechte Längsachse in der einen oder anderen Richtung je nach Wunsch drehen. Ein geeigneter Positionswandler 50 ist dem Mittelglied .40 zugeordnet und liefert einen elektrischen Ausgang, der der rotatorischen Position des Mittelgliedes 40 relativ zum inneren Glied 38 korreliert ist.

130017/0826

1038466

Das Endglied 42 des Handgelenkabschnitts ist über ein geeignetes Gelenk mit dem Außenende des Mittelgliedes verbunden und erleichtert eine Drehung des Endgliedes um seine Längsachse, welche senkrecht zur LÄngsachse des Mittelgliedes 40 verläuft. Ein Betätigungsorgan 52 ist auch dem Endglied 42 zugeordnet und erleichtert die Bewegung des Endgliedes 42 um seine Längsachse in beiden Richtungen. Ein Wandler 54 ist ebenfalls dem Endglied zugeordnet und liefert ein elektrisches Signal, das mit der relativen rotatorischen Position des Endglieds 42 relativ zum Mittelglied 40 korreliert ist bzw. in Zusammenhang steht.

Das Endglied 42 bildet das bereits eingangs erwähnte mechanische Endglied des Manipulators. Während der mechanische Ausgang des Manipulators zum Positionieren einer großen Vielzahl von Geräten benutzt werden kann, wird in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Manipulator zum Positionieren einer Sprühpistole 58 benutzt. Der Lauf 58a der Sprühpistole, durch dessen Düse 58b Beschichtungsmasse abgegeben werden kann, ist an seinem rückwärtigen Ende mit dem oberen Ende des Endglieds 42 verbunden. An dem unteren Ende des Endglieds ist ein Handgriff 58c befestigt, der von einer Arbeitskraft während des manuellen Programmierens des Manipulators in noch zu beschreibender Weise ergriffen werden kann. Der Handgriff 58c zusammen mit dem Lauf 58a sind der Struktur einer üblicherweise manuell bedienten Sprühpistole so eng wie möglich nachgebildet. Der Handgriff 58c trägt einen Trigger 58d, der bei Betätigung während des manuellen Programmierens die Abgabe von Beschichtungsmasse aus der Düse 58b der Sprühpistole 58 steuert und programmiert„

130017/082S

3>e 3538466

Die Längs-Drehachse des inneren Glieds 48, des Mittelglieds 40 und des Endglieds 42 sind wechselseitig senkrecht zueinander und ergeben daher drei Freiheitsgrade für den Manipulator. Die drei Freiheitsgrade des Handgelenks 14, das mit den drei Freiheitsgraden des Fußglieds 16, des Zwischenglieds 18 und des vorderen Glieds 20 gekoppelt sind, ermöglichen eine Gesamtheit von sechs Freiheitsgraden für den Manipulator.

Die Handgelenk-Glieder, nämlich das innerste Glied 38, das Mittelglied 40 und das Endglied 42, wie auch ihre zugeordneten Betätigungsorgane 44, 48 und 52 und Wandler 46, 50 und 54 sind relativ leichtgewichtig und wiegen beispielsweise in einer praktischen Ausführungsform nicht mehr als etwa 15-25 lbs, ohne Pistole 58, die etwa 2 lbs wiegt. Wenn folglich der Handgriff 58c der Pistole 58 vom Benutzer während manuellen Programmierens zur Bewegung der Pistole durch eine gewünschte Schrittfolge ergriffen wird, ist es erwünscht, daß der Manipulator danach unter Programmsteuerung wiederholt diese Schritte ausführt, werden die Handgelenkglieder 38, und 42 sich ohne AntriebsunterStützung unter Wirkung der von der Bedienungskraft auf den Handgriff der Sprühpistole ausgeübten manuellen Kraft bewegen. Wegen der wesentlichen Masse des Fußgliedes 16, des Zwischenglieds 18 und des vorderen Glieds 20 jedoch werden sich diese hintereinander verbundenen, angelenkten Glieder nicht ohne Antriebsunterstützung in Abhängigkeit von Kräften bewegen, die auf das äußere Ende 20a des vorderen Glieds 20 über das Handgelenk 14 im Zuge der von der Bedienungsperson während des Programmierens auf den Handgriff 58c ausgeübten manuellen Kraft ausgeübt werden.

Bezüglich des Ausgangs des Manipulators, der vom Endglied 42 mit verbundener Pistole 58 gebildet wird,

130 017/0826

038466

können das Fußglied 16, das Zwischenglied 18 und das vordere Glied 20 und ihre zugehörigen Betätigungsorgane 22, 28 und 33 so betrachtet werden, daß sie effektiv eine Linearbewegung in drei zueinander senkrechten Richtungen parallel zur Y-, Z- und X-Achse ausüben. Im einzelnen bewirkt relativ zur Pistole 58 eine Drehbewegung des Fußglieds 16 um die X-Achse aufgrund des Betätigungsorgans 22 eine seitliche Bewegung der Pistole 58 parallel zur Y-Achse. Eine Aufwärtsbewegung des Zwischenglieds 18 um Achse 26 vermöge des Betätigungsorgans 28 bewirkt eine Ein/Aus- oder horizontale Bewegung der Pistole 58 parallel zur Z-Achse. Schließlich bewirkt eine Erhebung des vorderen Glieds 20 aufgrund des Betätxgungsorgans 33 eine Auf/Ab- oder vertikale Bewegung der Pistole 58 parallel zur X-Achse. Von der Pistole 58 aus gesehen bewirken die Dreh-Antriebe 22, 28 und 33 eine Linearbewegung für die Pistole 58 in drei zueinander senkrechten Richtungen parallel zu den wechselseitig zueinander senkrechten Achsen Y, Z und X.

Wenn die Bedienungsperson den Handgriff 58c ergreift und manuelle Kraft in einer beliebigen Richtung auf ihn ausübt, um die Pistole längs eines vorgeschriebenen Weges zu bewegen, kann die von der Bedienungskraft auf die Pistole ausgeübte Kraft in Komponenten parallel zu den Achsen X, Y und Z zerlegt werden. Da die während des Programmierens auf die Pistole ausgeübte manuelle Kraft über das Handgelenk 14 auf das äußere Ende 20a des vorderen Glieds 20 übertragen wird, kann die auf das äußere Ende des vorderen Glieds 20 übertragene Programmierkraft in ähnlicher Weise in Kraftkomponenten parallel zu den Achsen X¹, Y¹, Z¹ des vorderen Glieds 20 zerlegt werden. Eine manuelle Programmierkraft auf das vordere Glied 20 in Y'-Richtung möchte das Fußglied 16 um seine Längsachse X drehen. Durch Abfühlen der manuellen Programmier-

130017/0826

kraftkomponente, die auf das vordere Glied 20 in der Richtung Y¹ ausgeübt wird, kann ein Steuersignal zum Betätigen des Betätigungsorgans 22 erzeugt werden, das dem Fußglied 16 zugeordnet ist, um eine antriebsunterstützte Drehung des Fußglieds 16 in der gewünchten Richtung um seine Längsachse zu erzeugen. In ähnlicher Weise kann durch Messen der manuellen Programmkraftkomponente, die über das Handgelenk 14 auf das vordere Glied 20 in Z'-Richtung ausgeübt wird, ein Steuersignal für den Eingang des Betätigungsorgans 28 gebildet werden, um ein antriebsunterstütztes Verschwenken des Zwischenglieds 18 um seine Achse 26 in der erwünschten Richtung zu liefern. Schließlich kann durch Messen der manuellen Programmkraft, die über das Handgelenk 14 auf das vordere Glied 20 in der X"-Richtung ausgeübt wird, ein Steuersignal für den Eingang des Betätigungsorgans 33 erzeugt werden, um ein antriebsunterstütztes Verschwenken des vorderen Glieds 20 um seine Horizontalachse 32 in der gewünschten Richtung zu schaffen. Somit können die Steuersignale, die auf die Betätigungsorgane 22, 28 und 33 als Folge des Abfühlens manueller Programmierkraftkomponenten , die über das Gelenk 14 auf das vordere Glied 20 in den Richtungen Y', Z' und X' übertragen werden, zur Schaffung einer antriebsunterstützten Bewegung des Fußglieds 16, des Zwischenglieds 18 und des vorderen Glieds 20 während des manuellen Programmierens benutzt werden. Die antriebsunterstützte Bewegung des Fußglieds 16, des Zwischen-glieds 18 und des vorderen Glieds 20 zusammen mit der nicht unterstützten Bewegung der Glieder 38, 40 und 42 des Handgelenks als Folge allein der während des Programmierens ausgeübten manuellen Kraft ermöglichen zusammen, daß die Pistole 58 in der Richtung bewegt wird, in der manuelle Kraft auf den Pistolenhandgriff 58c während des Programmierens ausgeübt wird.

130017/0826

8466

Um die manuellen Prograniniierkraft-Komponenten zu messen, die über das Handgelenk 14 auf das vordere Glied 20 in den Richtungen X', Y¹ und Z' übertragen werden, ist eine Mehrachsen-Kraftwandleranordnung 61 , die drei separate Kraftwandler 62, 64 und 66 umfaßt, in Reihe mit dem vorderen Glied 20 befestigt. Der Kraftwandler 62 fühlt die manuelle Programmierkraft-Komponente ab, die auf das vordere Glied 20 über das Handgelenk 14 in der Richtung X¹ übertragen worden ist, während die Kraftwandler 64 und 66 die manuellen Programmierkraft-Komponenten abfühlen, die über das Handgelenk 14 auf das vordere Glied 20 in den Richtungen Y' bzw. Z' übertragen worden sind=

Wie man am besten aus Fig. 2 erkennt, weist die Kraftwandleranordnung 61, die seriell mit dem vorderen Glied 20 verbunden ist, beabstandete parallele Stirnplatten 68 und 70 auf, zwischen den und parallel zu denen eine in der Mitte offene Platte 72 angeordnet ist. Eine Reihe von vier parallelen Balken 74, 76 und 78 und 80 verbindet die Stirnplatte 68 mit der Mittelplatte 72. Die Balken 74, 76, 78 und 80 verbinden die Stirnplatten 68 und 72 an deren peripheren Punkten, die in der Mitte zwischen den Ecken der Platten lokalisiert sind. Die Balken 74, 76, 78 und 80 haben gleiche Länge und gleichen Querschnitt. Die Mittelplatte 72 und die Stirnplatte 70 sind an ihren Ecken mit parallelen Balken 82, 84, 86 und 88 verbunden, welche ebenfalls gleiche Länge und gleichen Querschnitt haben.

Um das Abfühlen der in dem vorderen Glied 20 vorhandenen Scherkraft zu erleichtern, die den manuellen Programmierkraft-Komponenten in der Richtung X" zuzuschreiben ist, welche von der Pistole 58 über das Handgelenk 14 übertragen

130017/0826

-Mr-

·» 3039459

worden sind, sind vier Widerstandsdehnungsmesser 62a, 62b, 62c und 62c an den Balken 74 und 80 befestigt. Die Dehnungsmesser 62a und 62b sind jeweils an der unteren bzw. oberen Fläche des Balkens 80 befestigt, während die Dehnungsmesser 62c und 62d jeweils an der unteren bzw. oberen Fläche des Balkens 74 befestigt sind. Die Dehnungsmesser 62a, 62b, 62c und 62d sind gemäß Fig. 3a in einer Gleichstrombrücke zusammengeschaltet. Als Folge der Lokalisierung der Dehnungsmesser 62a, 62b, 62c und 62d auf den Balken 74 .und gemäß Fig. 2 und der Art ihrer Zusammenschaltung in der Brücke gemäß Fig. 3a ist der Ausgang X" der Brücke mit der manuellen Programmierkraft-Komponente in der X'-Richtung korreliert, die über das Handgelenk 14 auf das vordere Glied 20 übertragen worden ist.

Der X'-Ausgang der Brücke gemäß Fig. 3a wird in einer nachstehend noch zu beschreibenden Weise sowohl gegenüber den Korrelationskraftwirkungen des Handgelenks wie auch den Trägheitskraftwirkungen des Handgelenks kompensiert. Der X'-Ausgang wird nach der erwähnten Trägheits- und Gravitationskompensation dem Betätigungsorgan 39 eingegeben, das das vordere Glied zu einer vertikalen Bewegung veranlaßt, entweder aufwärts oder abwärts, je nach Richtung der auf die Sprühpistole einwirkenden manuellen Programmierkraft, und zwar in dem Bemühen, die Kraft in dem vorderen Glied 20 in X'-Richtung auf Null zu reduzieren. Somit wird aufgrund der Einwirkung einer manuellen Programmierkraft auf die Sprühpistole 58, die eine in die X'-Richtung weisende Komponente besitzt, das vordere Glied 20 durch sein zugehöriges Betätigungsorgan 33 in X-Richtung bewegt, wodurch eine antriebsunterstützte Bewegung der Pistole in der X-Richtung erfolgt.

130017/0826

Um die in dem Glied 20 in der Y'-Richtung wirkende Scherkraft abzufühlen, die sich aus einer übertragung der in die Y'-Richtung weisenden manuellen Programmierkraft-Komponente auf die Pistole 58 durch das Handgelenk 14 ergibt, sind vier Widerstands-Dehnungsmesser 64a, 64b, 64c und 64d vorgesehen. Dehnungsmesser 64a und 64b sind auf der Außen- bzw. Innen-Vertikalfläche des Balkens 78 befestigt, und die Dehnungsmesser 64c und 64d sind auf der Innen-bzw. Außen-Vertikalflache des Balkens 76 befestigt. Die Dehnungsmesser 64a, 64b, 64c und 64d sind in den Zweigen einer Gleichstrombrücke in der in Fig. 3b dargestellten Weise zusammengeschaltet. Aufgrund der spezifischen Anordnung der Dehnungsmesser 64a, 64b, 64c und 64d auf den Balken 76 und 78 gemäß Fig. 2 und deren Zusammenschaltung in der Brücke gemäß Fig. 3b ist das Y'-Ausgangssignal der Brücke zu der Scherkraft in dem vorderen Glied 20 korreliert, welche der manuellen Programmierkraft-Komponente in Y'-Richtung zuzuschreiben ist, die auf es von der Pistole 58 über das Handgelenk 14 übertragen wird. Im Betrieb wird der Y'-Ausgang aus der Brücke gemäß Fig. 3b nach geeigneter Kompensation der Trägheitskraftexnwirkungen aus dem Handgelenk 14 in das Betätigungsorgan 22 eingegeben, damit die Pistole in antriebsunterstützter Weise sich in der Y-Richtung entsprechend der in die Y'-Richtung weisenden und auf die Pistole 58 einwirkenden manuellen Programmierkraft-Komponente bewegt.

Um die Scherkraft in dem vorderen Glied 20 in Z'-Richtung zu messen, die durch Übertragung der in Z'-Richtung gerichteten manuellen Programmierkraft-Komponente auf die Pistole 58 über das Handgelenk 14 induziert ist, werden Widerstands-Dehnungsmesser 66-1, 66-2, ... 66-8 verwendet. Dehnungsmesser 66-1 und 66-2 werden an der

130017/0826

303346a

rechten vertikalen Fläche des oberen horizontalen Abschnittes der Zentralplatte 72 zwischen dem Mittelpunkt und ihren Ecken befestigt. Dehnungsmesser 66-5 und 66-6 sind an der rechten Vertikalfläche des unteren horizontalen Abschnittes der Zentralplatte 72 beiderseits des Mittelpunktes befestigt. Dehnungsmesser 66-3 und 66-4 sind an der linken Vertikalseite des rückseitigen Vertikalabschnittes der Platte 72 beiderseits des Mittelpunktes befestigt. Dehnungsmesser 66-7 und 66-8 sind an der linken Vertikalseite des vorderen Vertikalabschnittes der Zentralplatte 72 beiderseits des Mittelpunktes befestigt. Dehnungsmesser 66-1, 66-2, ... 66-8 sind in den Armen einer Gleichstrombrücke gemäß Fig. 3c geschaltet. Wenn die Dehnungsmesser 66-1, 66-2, ...66-8 auf der Zentralplatte 72 gemäß Fig. 2 in der Brücke gemäß Fig. 3c zusammengeschaltet sind, ist der Z'-Ausgang der Brücke mit der Komponente der manuellen, auf das vordere Glied in Z'.-Richtung durch die Pistole 58 über das Handgelenk ausgeübten Programmierkraft korreliert. Der Z'-Ausgang wird im Betrieb dem Betätigungsorgan 28 zugeführt, um das Zwischenglied 18 in antriebsunterstützter Weise so zu bewegen, daß die Pistole 58 sich entsprechend der manuellen Programmierkraft bewegt, die auf die Pistole in Z'-Richtung ausgeübt wird.

Die antriebsunterstützten Bewegungen des Fußgliedes 16, des Zwischengliedes 18 und des vorderen Gliedes 20 während des Programmierens zusammen mit den nicht unterstützten Bewegungen der Armgelenkglieder 38, 40 und 42, welche ausschließlich durch die auf die Pistole ausgeübten manuellen Kräfte induziert sind, bewegen zusammengenommen die Pistole 58 durch die Folge willkürlicher Richtungen, die die Bedienungsperson durch Ausüben der manuellen Kraft zum Programmieren des Manipulators aufgewendet hat.

1300 17/0826

Zl 3038486

Das Handgelenkgewicht oder die auf die Handgelenkmasse wirkende Gravitationskraft vjxrd Dehnungen oder Spannungen in dem vorderen Glied 20 in den Richtungen X¹ und Z' während des Programmierens, der Programmausführung und wenn der Manipulator in Ruhestellung sich befindet, induzieren. Diese durch Gravitationskraft induzierten Spannungen erzeugen ihrerseits endliche X¹- und Z'-Ausgangskomponenten aus den Kraftwandlerbrücken der Fig- 3a und 3c» Da diese X'- und Z"-Ausgangskomponenten der Brücken gemäß Fig. 3a und 3c ausschließlich dem Gewicht des Handgelenks 14 zuzuschreiben sind, und nicht manuellen Programmierkraft-Komponenten in den X'- und Z'-Richtungen, die als Folge der auf die Pistole 58 ausgeübten manuellen Programmierkräfte über das Handgelenk 14 auf das vordere Glied 20 übertragen sind, ist es erwünscht, daß die X'- und Z'-Ausgänge der Brücken gemäß Fig. 3a und 3c bezüglich der auf die Handgelenkmasse wirkenden Gravitationskraft kompensiert werden, d„h. bezüglich des Gewichts des Handgelenkabschnitts 14. Eine derartige Kompensation wird durch Auslöschen oder auf Null Zurückführen jenes Teils oder jener Komponente des X'- und Z'-Ausgangs der Brücken gemäß Fig. 3a und 3c erreicht, der der Gravitationskraft auf die Masse des Handgelenkabschnitts zuzuschreiben ist.

Das Auf-Null-Zurückführen der Gravitationskraft des X¹ (Z')-Ausgangs der Brücke gemäß Fig. 3a (3c) für die Handgelenkabschnittsmasse wird durch Subtrahieren einer Signalkomponente vom X¹ (Z')-Ausgang der Brücke gemäß Fig. 3a (3c) erreicht, deren Größe so groß ist, daß der X¹ (Z¹)-Ausgang Null wird, wenn der Handgelenkabschnitt sich in Ruhestellung befindet und keine Programmierkraft in X'- oder Z'-Richtung wirkt. Da die auf die Masse des Handgelenkabschnxtts 14 wirkende Gravitationskraft in

130 0 17/0826

— 3 O —

3a 3038486

X'-Richtung bzw. Z'-Richtung gemäß Abfühlen durch den X'-Kraftwandler 62 bzw. den Z'-Kraftwandler 66 sich mit der Erhebung des vorderen Glieds 20 verändert, wird sich die Größe der Signalkomponente des X^r- bzw. Z'-Ausgangs der Brücke aus Fig. 3a (3c), die zum Ausblenden der auf die Masse des Handgelenks 14 in X'- bzw. Z'-Richtung wirkenden Gravitationskraft subtrahiert wird, als Funktion des Kosinus bzw. des Sinus des Erhebungswinkeis variieren, welchen das vordere Glied 20 mit der Horizontalen einschließt. Wenn das vordere Glied 20 sich in einer vertikalen Position befindet, ist das von den X'- bzw. Z'-Kraftwandlern 62 bzw. 66 erfühlte Gewicht des Handgelenks 14 Null (maximal), und ein Null-Signal von der Größe Null (maximal) wird von dem X'- bzw. Z'-Ausgang der Brücke aus Fig. 3a (3c) subtrahiert. Wenn sich das vordere Glied 20 in horizontaler Anordnung befindet, ist das von dem X' (Z')-Wandler 62 (66) abgefühlte Gewicht des Handgelenks 14 maximal (minimal), so daß eine maximale (minimale) X¹ (Z')-Handgelenks-Gravitationskraftkomponente von dem X¹ (Z¹)-Ausgang der Brücke gemäß Fig. 3a (3c) subtrahiert wird.

Der Ausgang des Kraftwandlers 64 ist ein Eingang für das Betätigungsorgan 22, welches eine antriebsunterstützte Bewegung in lateraler bzw. Y'-Richtung während des Programmierens ermöglicht. Da die auf die Masse des Handgelenks 14 einwirkende Gravitationskraft die Spannung in dem vorderen Glied 20 in Y'-Richtung nicht beeinflußt, muß der Y'-Ausgang des Kraftwandlers 64 nicht um das Handgelenkgewicht, dh. um die auf die Masse des Handgelenks einwirkenden Gravitationskräfte, kompensiert werden.

Wenn die Geschwindigkeit des Handgelenks 14 sich in die Richtungen X", Y' und Z' verändert, übt das Handgelenk

130017/0826

Kräfte auf das vordereGlied 20 aufgrund der Beschleunigungs-induzierten Trägheitskräfte auf die Hand aus. Diese Trägheitskraftkomponenten in den Richtungen X¹, Y' und Z¹, die auf das vordere Glied 20 ausgeübt werden, wenn die Geschwindigkeit des Handgelenks bzw. der Hand sich in die Richtungen X¹, Y¹ und Z' verändert, werden von den X', Y' und Z'-Kraftwandlern 62, 64 und 66 erfühlt. Als Folge ist eine Komponente der X¹, Y¹ und Z'-Ausgänge der Brücken gemäß Fig. 3a, 3b und 3c der durch die Beschleunigung der Hand verursachten Trägheitskraft zuzuschreiben. Die Hand-Trägheitskraftkomponenten der Ausgänge der X¹, Y' und Z'-Brücken sind vollständig unabhängig von und zusätzlich zu jeder Komponente der X¹, Y' und Z'-Brückenausgänge, die den manuellen Programmierkraft-Komponenten in den X', Y' und Z'-Richtungen zuzuschreiben sind, welche auf das vordere Glied 20 über die Hand als Folge von auf die Pistole 58 ausgeübten manuellen Programmierkräften übertragen werden. Folglich ist es erwünscht, die Komponente der X', Y¹ und Z'~ Brückenausgänge zu kompensieren, auszublenden oder auf Null zurückzuführen, die allein der Trägheitskraft zugeschrieben wird, welche durch die Beschleunigung der Hand 14 verursacht wird. Dies wird durch Subtrahieren der X', Y¹ und Z'-Brückenausgänge erreicht, welche Signale sind, deren Amplituden mit den Kräften korreliert sind, die auf das vordere Glied 20 durch die Hand in den X', Y¹ und Z'-Richtungen allein aufgrund der Veränderung von Handgeschwindigkeits-Komponenten in den Richtungen X', Y¹ und Z' ausgeübt werden.

Insgesamt werden die X' und Z'-Ausgänge der X' und Z'-Brücken 62 und 66 um die auf die Handmasse einwirkende Gravitationskraft wie auch um die Trägheitskraft kompensiert, die durch die Beschleunigung der Hand

1300 17/0826

hervorgerufen wird, während der Y'-Ausgang der Brücke nur um die durch die Beschleunigung der Hand verursachte Trägheitskraft kompensiert wird.

Um den Manipulator zu programmieren, werden die Ausgänge der Wandler 24, 30, 34, 46, 50 und 54 mit einem geeigneten Aufzeichnungsgerät verbunden. Außerdem werden die Ausgänge der X', Y' und Z'-Kraftwandler nach geeigneter Kompensation um die Trägheitskraft und/oder Gravitationskraft auf die Hand 14 mit dem Betätigungsorgan 33, 22 bzw. 28 verbunden. Die Betätigungsorgane 44, 48 und die den Handgliedern 38, 40 und 42 zugeordnet sind, werden nicht mit Eingängen versorgt. Wenn elektrohydraulxsche Betätigungsorgane für die Handglieder benutzt werden, wird außerdem der Hydraulikeingang und -ausgang jedes Betätigungsorgans hydraulisch kurzgeschlossen, um den hydraulischen Innenwiderstand des Betätigungsorgans möglichst klein zu machen.

Nachdem das Vorstehende ausgeführt worden ist, ergreift der Operator bzw. die Arbeitskraft den Handgriff 58c der Pistole 58 und bewegt die Pistole in der Richtung und durch die Folge von Bewegungsabläufen, wie es von ihm oder ihr gewünscht wird. Wegen der relativ kleinen Masse und der Leichtbauweise der Handglieder 38, 40 und 42 reichen die manuell durch die Arbeitsperson auf die Pistole 58 während des Programmierens ausgeübten Kräfte aus, die Handglieder in der gewünschten Weise zu bewegen.

Die Bewegung der Handglieder 38, 40 und 42 während des Programmierens ist Drehmomenten zuzuschreiben, die aus den auf die Pistole durch die Arbeitskraft ausgeübten Kräften resultieren. Beispielsweise dreht ein Drehmoment, das auf den Pistolenhandgriff 58c zum Drehen um die

13 0 017/0826

-S-Sr-

<M 3038A66

Längsachse des Pistolenhandgriffs ausgeübt wird, das Betätigungsorgan 54 um seine Längsachse. In ähnlicher Weise erzeugt eine Kraft auf den Pistolenhandgriff 58c in einer Richtung senkrecht zu einer den Handgriff 58c und das Mittelglied 40 enthaltenden Ebene ein Drehmoment, das das Mittelglied 40 um seine Längsachse dreht. Eine von der Bedienungsperson auf den Pistolenhandgriff 58c in einer Richtung parallel zur Längsachse des Pistolenhandgriffs ausgeübte Kraft erzeugt ein Drehmoment, das das innerste Handglied 38 um seine Längsachse drehen wird =

Manuelle auf den Handgriff 58c so ausgeübte Programmierkräfte, daß die Pistole sich nur in einer vertikalen Richtung bewegt, werden durch die Handglieder 38, 40 und 42 auf das vordere Glied 20 übertragen. Sie werden dort durch den X'-Kraftwandler 62 abgefühlt und nach geeigneter Kompensation um Trägheits- und Gravitationskraft auf das Handgelenk werden sie als Eingang für das Betätigungsorgan 33 benutzt, um das vordere Glied 20 zu verschwenken und seinerseits die Pistole mit Antriebsunterstützung entweder aufwärts oder abwärts zu bewegen, je nachdem, ob die X'-gerichtete Kraft nach oben oder unten weist. Wenn die auf den Pistolenhandgriff 58c ausgeübte manuelle Programmierkraft in Z^Y-Richtung weist, wird die manuelle Kraft über die Hand 14 auf das vordere Glied 20 übertragen, was zu einer axialen Belastung bzw. einem axialen Zug des vorderen Glieds 20 führt. Diese axiale Belastung wird von dem Z'-Kraftwandler 66 erfühlt und nach geeigneter Kompensation auf Schwerkraft- und Trägheitskräfte an der Hand wird dem Betätigungsorgan zugeführt, welches das Zwischenglied 18 aufwärts oder abwärts bewegt, um die Pistole einwärts oder auswärts zu bewegen, je nachdem, ob die auf den Handgriff 58c

1 30017/0826

3038469

ausgeübte manuelle Programmierkraft längs der Z'-Achse einwärts oder auswärts gerichtet war. Wenn die auf den Handgriff 58c ausgeübte manuelle Programmierkraft in die Y'-Richtung weist, wird eine Y'-gerichtete Programmierkraft auf das vordere Glied 20 über die Hand 14 übertragen, wo sie durch den Y'-Wandler 64 erfühlt wird. Der Ausgang des Y¹-Wandlers wird nach Kompensation auf Trägheitskräfte auf die Hand 14 dem Betätigungsorgan 22 als Eingang zugeführt, welches das Fußglied 16 um seine Längsachse so verschwenkt, daß eine seitliche Bewegung der Pistole in einer Richtung oder der anderen längs der Y'-Achse erzeugt wird, je nachdem, in welche Richtung die manuelle Programmierkraft weist.

Ein eigentümliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß manuelle Programmierkraft-Komponenten, die in den Richtungen X¹, Y¹ und Z¹ auf den Pistolenhandgriff 58c ausgeübt werden, durch Kraftwandler statt durch Drehmomentwandler erfühlt werden, wobei dennoch derAusgang der Kraftwandler die Drehorgane, d.h. die die Drehung bewirkenden Betätigungsorgane, steuern, welche Drehmomente auf das Fußglied 16, das Zwischenglied 18 und das vordere Glied 20 übertragen. Die von den Drehorganen 22, 28 und 33 auf das Fußglied 16, das Zwischenglied 18 und das vordere Glied 20 ausgeübten Drehmomente drehen das Fußglied 16 um seine Längsachse, d.h. die vertikale X-Achse, und verschwenken das Zwischenglied 18 und das vordere Glied 20 um die horizontalen Achsen 26 und 32 in solcher Weise, daß die Pistole linear längs Y, Z und X-Achsen bewegt wird.

Ein wesentlicher Vorteil des Plazierens der Kraftwandleranordnung 61 innerhalb der Hand 14 bezüglich des Manipulators statt zwischen Pistole und dem äußersten Handglied

130 017/082 6

bzw. Endglied 42 besteht darin, daß der Ausgang der Kraftwandler 62, 64 und 66 nicht um Veränderungen in der Orientierung der Pistole kompensiert werden muß, wenn die manuelle Programmierkraft auf den Handgriff ausgeübt wird. Wenn beispielsweise die Kraftwandleranordnung zwischen Handgriff 58c und dem unteren Ende bei Betrachtung der Fig. 1 des Endhandgliedes 42 vorgesehen wäre, und eine manuelle Programmierkraft senkrecht auf den Handgriff parallel zur Achse des innersten Handglieds 38 gerichtet angewandt würde, würde die Kraft durch den Z^!- oder Y'-Wandler oder teilweise durch beide Wandler Z¹ und Y' erfühlt werden, je nach der Winkelposition des Endhandglieds 42 relativ zum Mittelhandglied 40. Eine senkrecht auf den Pistolenhandgriff 58c parallel zum innersten Handglied 38 ausgeübte Kraft belastet das vordere Glied 20 in axialer Richtung, d.h. in Z'-Richtung. Daher sollte eine solche Kraft zu einem Ausgang aus dem Z'-Wandler 66 führen, der dann als Eingang dem Betätigungsorgan 28 zugeführt wird, welches das Zwischenglied 18 so verschwenkt, daß die Pistole einwärts oder auswärts, je nachdem, bewegt wird. Wenn die Kraftwandleranordnung zwischen Handgriff 58c und unterem Ende des Endhandglieds 42 lokalisiert wäre, würden Ausgänge aus einem oder beiden Y'- bzw. Z¹-Wandlern 64 bzw. 66 statt aus dem Z'-Wandler 66 allein erzeugt werden, was zu einer unrichtigen antriebsunterstützten Bewegung führen würde. Um solche Fehler zu vermeiden, wäre es notwendig, verschiedene Versetzungen in die Y¹ und Z'-Wandler 64 und 66 einzuführen, je nach der Winkelorientierung des Handendgliedes 42 (wenn die Kraftwandler zwischen Handgriff und Handendglied 42 befestigt wären) zu dem Zeitpunkt, an dem eine Kraft auf den Handgriff 58c senkrecht zum Handgriff und parallel zur Achse des innersten Handglieds 38 ausgeübt wird.

!300 17/0826

3038489

Nach Abschluß des manuellen Programmierens und des Konditionierens des Manipulators für die Ausführung einer programmierten Folge von Bewegungsabläufen werden die Wandlerausgänge vom Signalaufzeichnungsgerät getrennt und mit den Regelschlexfenschaltungen zum Betätigen der Manipulatorglieder 16, 18, 20, 38, 4.0 und 42 verbunden, in welchen sie als tatsächliche Positionsrückkopplungs-Signale für die Manipulatorglieder wirken. Der andere Eingang für die Regelschleifen-Positionierschaltungen der Manipulatorglieder 16, 18, 20, 38, 40 und 42 ist die vorher aufgezeichnete, gewünschte oder programmierte Position der Manipulatorglieder. Die Regelschleifenschaltung für jeden der sechs Freiheitsgrade vergleicht das der gewünschten Position entsprechende Signal aus dem Aufzeichnungsgerät mit dem Ist-Positionssignal aus dem Positionswandler und erzeugt in Abhängigkeit von beiden Signalen ein Positionsstellsignal, das der Eingang für das Betätigungsorgan zur Positionierung des beweglichen Manipulatorglieds in der gewünschten programmierten Weise ist. Während der Programmausführungsphase werden die Ausgänge der X', Y' und Z'-Kraftwandler 62, 64 und 66 mit den Kraftgrößen-Überwachungsschaltungen verbunden. Wenn zu irgendeinem Zeitpunkt während der Ausführung der programmierten Sequenz von Bewegungen die von einem oder mehreren Kraftwandlern 62, 64 und 66 erfühlte Kraft einen vorgegebenen Sicherheitswert überschreitet, was beispielsweise eintreten könnte, wenn der Manipulator gegen ein Hindernis stößt, das während des Programmierens nicht vorhanden war, dann schaltet die Kraftüberwachungsschaltung den Manipulator ab und/oder liefert einen akustischen oder optischen Alarm.

Fig. 4a und 4b zeigen ein schematisches Blockdiagramm einer Schaltung, die das Kompensieren der X^!, Y' und

13 0 0 17/0826

Z'-Ausgangskomponente des Kraftwandlers 61 für Trägheitskräfte erleichtert, die auf das vordere Glied 20 aufgrund einer Beschleunigung der Hand 14 und/oder von Gravitationskräften, die auf das vordere Glied 20 durch die auf die Hand 14 einwirkenden Gravxtationskräfte ausgeübt werden. Bei einer mehr ins einzelne gehenden Betrachtung dieser Schaltung nehme man an, daß die Schaltung sich im Programmiermodus befindet. Der X'-Ausgang des Kraftwandlers 62 ist nach geeigneter Verstärkung in einem Linearverstärker 100 der Eingang für einen positiven Anschluß eines Summierverstärkers 102 über einen Programmier/ Ausfuhr-Umschalter 104, der gemäß Darstellung in der Zeichnung sich im Programmiermodus (teach mode = T) befindet. Der andere Eingang für den Summierverstärker 102 für dessen negativen Anschluß kommt von einem Multiplier 105, der a) ein Signal, das mit dem Gewicht der Hand 14, dargestellt durch ein Potentiometer 106, und einer Referenzspannung korreliert ist, und b) ein Signal, das dem Augenblickswert des Kosinus des Winkels θ ^! zwischen dem vorderen Glied 20 und der Horizontalebene korreliert ist, welche von einem Neigungsmesser 108, auf dem vorderen Glied 20 befestigt, geliefert wird. Der Neigungsmesser könnte ein pendelbetätigtes Potentiometer sein, dessen elektrischer Ausgang mit dem Kosinus des Winkels θ schwankt. Die Gravitationskraft auf die Hand 14, die auf das vordere Glied 20 gelangt und von dem X'-Wandler 62 erfühlt wird, schwankt zwischen einem Maximalwert, wenn das vordere Glied 20 horizontal sich erstreckt, und Null, wenn das vordere Glied 20 vertikal steht. Der Ausgang des Summierverstärkers 102 ist der auf Gravxtationskräfte auf die Hand 14 kompensierte Ausgang des X'-Wandlers.

Der gravitations-kompensierte Ausgang aus dem Summierverstärker 102 ist ein Eingang für den positiven Anschluß

130017/0826

to 303846g

eines zweiten Summierverstärkers 110. Der andere Eingang für den Summierverstärker 110 am negativen Anschluß ist der durch die Hand 14 auf das vordere Glied 20 übertragenen Trägheitskraft korreliert, wenn die Hand beschleunigt oder verzögert. Dieses mit der Beschleunigung/ Verzögerung korrelierte Signal kommt aus einem Beschleunigungsmesser 112, der am vorderen Glied 20 befestigt sein könnte, und liefert einen Ausgang, der mit der Beschleunigung der Hand in der X-Richtung korreliert ist. Ein Spannungsteiler 114 ist mit dem Ausgang des Hand-Beschleunigungsmessers 112 verbunden und erleichtert das Bewichten der Trägheitskorrektur. Je nach dem Ausmaß, mit dem das Signal aus dem Beschleunigungsmesser 112 bewichtet wird, kann die scheinbare Masse der Hand während des manuellen Programmieren variiert werden. Sie kann entweder erhöht werden, so daß die Hand massiver erscheint als sie tatsächlich ist, oder es kann erniedrigt werden, um der Hand eine scheinbar geringere Masse innewohnen zu lassen. Der Ausgang des Spannungsteilers 114 ist ein Eingang auf Leitung 116 für den Summierverstärker 110. Der Ausgang des Summierverstärkers 110 auf Leitung 118 bildet während der manuellen Programmierung den Ausgang des X'-Kraftwandlers 62, der sowohl in bezug auf die durch die Hand 14 auf das vordere Glied übertragene Gravitationskraft wie auch in.bezug auf die durch eine Beschleunigung der Hand auf das vordere Glied 20 übertragenen Trägheitskräfte kompensiert ist.

Der doppelt kompensierte Ausgang auf Leitung 118 aus dem Summierverstärker 110 ist ein Eingang für ein lineares Proportional-Servoventil 120 über einen Integrator 122. Der Integrator 122 stellt sicher, daß der hydraulische Ausgangsstrom aus dem linearen proportionalen Servosteuerventil 120, das beispielsweise ein Ventil

13 00 17/0826

aus der Moog-Series 62 sein könnte, zunimmt mit konstanter Rate, wenn der elektrische Eingang auf einem konstanten Wert gehalten wird. Dies seinerseits stellt sicher, daß das Betätigungsorgan 34 die Hand 14 in der X'-Richtung in einer gleichförmigen Rate beschleunigen wird, wenn das trägheitsmäßig und gravitatorisch kompensierte Signal auf Leitung 118 auf einem konstanten Wert steht. Auf diese Weise wird sich das vordere Glied 20 antriebsunterstützt in der X¹-Richtung während des Lehr-Modus bzw. Programmier-Modus in genau der gleichen Weise bewegen, wie irgendein aufgehängter Körper sich in der X'-Richtung bewegen würde, wenn eine manuelle Kraft auf ihn einwirkt und eine X'-Komponente besitzt, d.h. mit konstanter Rate beschleunigt, wenn er einer konstanten manuellen Kraft unterworfen wird. Wenn ein integrierendes Servosteuerventil verwendet wird, kann der Integrator 122 entfallen.

Auf Wunsch kann gemäß Fig. 4a und 4b ein Teil des Ausgangssignals auf Leitung 118 subtrahiert werden, um das Dämpfen zu erleichtern, wobei ein Summierverstärker verwendet wird. Ein variabler Widerstand 128 ist mit dem Dämpfungsschaltungspfad in Reihe geschaltet und kann dazu vorgesehen sein, ein wählbar variables Dämpfen zu erleichtern.

Ein Programmier (teach)/Ausführungs-Schalter 130, der im Aufbau und in der Funktion dem Schalter 104 ähnlich ist, ist zwischen den Summierverstärker 126 und dem linearen proportionalen Servosteuerventil 120 geschaltet. In dem Programmier-Modus ist der Anschluß T über den Schalter mit dem Eingang des linearen proportionalen Servosteuerventils 120 verbunden. Der hydraulische Ausgang aus dem linearen Proportional-Servoventil 120 ist

13Ü017/0826

der Eingang für das Betätigungsorgan 33, das das äußere Manipulatorglied 20 in der X'-Richtung antreibt, wenn eine manuelle Programmierkraft auf den Handgriff 58c der Sprühpistole ausgeübt wird, welche eine Komponente in der X'-Richtung hat und die durch den X"-Kraftwandler 62 abgefühlt worden ist. Somit führt eine manuelle Programmierkraft auf den Pistolenhandgriff 58c, die schematisch durch den mit "Manueller Lehr-Eingang" ("Manual Teaching Input") bezeichneten Pfeil angezeigt ist, in einer antriebsunterstützten Bewegung der Pistole 58.

Der Ausgang des X'-Positionswandlers 34 ist ein Eingang über einen Programmieren/Ausführen-Schalter 132 für eine Aufzeichnungseinheit 134, in welcher er zur Verwendung als sequentielle Positions-Befehlssignale für das äußere Glied 20 aufbewahrt wird, wenn das System im Ausfuhren-Modus steht. In dem Ausführen-Modus sind alle Programmieren/ Ausfuhren-Schalter 104, 130, 132 und 136 in die Ausfuhren-Stellung gebracht, bei der also ihre Kontaktarme mit den Anschlüssen R (= reproduce) verbunden sind. Die sequentiellen Positionsbefehle für das vordere Glied 20 in der Aufzeichnungseinheit 134 werden sequentiell einem Komparator 138 eingegeben, an welchem die Positionsbefehle sequentiell mit den tatsächlichen Positionen des vorderen Glieds 20 verglichen werden, und zwar vermöge des Ausgangs des Positionswandlers 34. Der Vergleicher 138 liefert Positions-Stellsignale für das vordere Glied 20, die ein Eingang für das lineare Proportional-Servosteuerventil zum Steuern des Betätigungsorgans 33 sind, damit das Manipulatorglied 20 entsprechend den in der Positionsbefehls-AufZeichnungseinheit 134 gespeicherten Befehlen positioniert werden kann.

13 0 0 17/0826

In dem Ausführen-Modus ist der Ausgang des X'-Kraftwandlers 62 der Eingang für einen Schwellendetektor 150 über den R-Anschluß des Programmieren/Ausfuhren-Schalters 104. Wenn die Signalhöhe des Eingangs für den Schwellendetektor 150 den für den sicheren Betrieb gegebenen Sicherheitsgrenzwert überschreitet, wenn beispielsweise das Manipulatorende gegen einen Gegenstand anstößt, wird ein Signal aus dem Schwellendetektor einem Alarm/ Abschaltgerät 152 zugeführt, das weitere Aktionen des Manipulators beendet.

Die Arbeitsweise der Kompensationsschaltung für das dem Zwischenglied 18 zugeordnete Betätigungsorgan 28 in den Betriebszuständen Programmieren und Ausführen ist identisch mit dem dem äußeren Glied 20 zugeordneten Betätigungsorgan 33, bis auf die Schwerkraftkompensation für den Ausgang aus dem Z'-Wandler 66 mit Hilfe des am vorderen Glied 20 befestigten Neigungsmessers 142_f der einen mit dem Kosinus des Winkels θ zwischen dem vorderen Glied und der Horizontalebene korrelierten Eingang liefert. Die Arbeitsweise der Kompensationsschaltung für das Betätigungsorgan 22, das dem Fußglied 16 zugeordnet ist, ist identisch mit derjenigen für die Glieder 18 und 20 bis darauf, daß der Ausgang des Y'-Kraftwandlers 64 nur gegenüber Trägheitseffekten der Hand 14 statt sowohl gegenüber Trägheitseffekten wie auch Gravitationseffekten kompensiert ist.

Die Betriebsweise der Hand-Betätigungsorgane 46, 48 und 50, die den Handgliedern 38, 40 und 42 zugeordnet sind, in Programmieren-Modus und Ausführen-Modus ist identisch zu derjenigen der Betätigungsorgane 22, 28 und 33 bis darauf, daß während des Programmier-Modus die Handglieder nicht mit ÄntriebsunterStützung, jedoch

130017/0826

SO 3038486

statt dessen mit manueller Kraft bewegt werden, was schematisch durch den gestrichelten Pfeil "Manueller Programmiereingang" angedeutet ist.

Auf Wunsch können die Ausgänge X", ^^{1 un(}3 Z¹ der Kraftwandler 62, 64 und 66 weiter modifiziert oder kompensiert werden, um die "Fühlung" des Manipulators während des manuellen Programmierens zu verbessern. Im einzelnen können die verstärkten Ausgänge jedes der X¹, Y' und Z'-Wandler 62, 64 und 66 um ein Signal vermindert werden, das mit der dritten zeitlichen Ableitung der Auslenkung des vorderen Glieds 20 in den Richtungen X¹, Y' und Z¹ korreliert ist. Wenn man beispielsweise den X'Wandler betrachtet, kann die Subtraktion dadurch ausgeführt werden, daß zwischen dem Programmieren/Ausführen-Schalter 104 und dem positiven Anschluß des Summierverstärkers 102 ein zusätzlicher Summierverstärker vorgesehen wird, der in Fig. 4 nicht dargestellt ist. Der positive Eingang für diesen letzteren Summierverstärker wird während des Programmier-Modus mit dem Ausgang des Linearverstärkers 100 verbunden, und der negative Eingang des Summierverstärkers wird mit einer Signalquelle verbunden, deren Signale mit der dritten zeitlichen Ableitung der Auslenkung des vorderen Glieds 20 in der X'-Richtung korreliert sind. Dieser letztere Eingang für den negativen Anschluß des weiteren Summierverstärkers kann dadurch abgeleitet werden, daß der Ausgang des Hand-Beschleunigungsmessers 112 nach der Zeit differenziert wird. Durch Vergleich des Ausgangs aus dem X'-Kraftwandler 62 in der vorstehend erläuterten Weise im Programmieren-Modus der Vorrichtung wird die AntriebsunterStützung für das vordere Glied 20 durch das Betätigungsorgan 33 für eine nicht konstante Beschleunigung oder eine rückartige Bewegung kompensiert. Rückartige Bewegungen haben signifikante subjektive

130017/0826

Wirkungen und sind eine wichtige Bestimmungsgröße bei der subjektiven Abschätzung der "Fühlung" des Manipulators während des manuellen Programmierens. Die Kompensation von Stoßen in der vorstehend beschriebenen Weise verbessert die "Fühlung" des Manipulators während manueller Programmierung.

Insgesamt wurde ein Manipulator mit mehreren hintereinander verbundenen Gliedern beschrieben. Jedem Glied ist ein Betätigungsorgan und ein Positionswandler zugeordnet. Einige Glieder sind relativ massiv und können ohne Antriebsunterstützung beim manuellen Programmieren des Manipulators nicht leicht bewegt werden, während andere Glieder, nämlich die die Hand (Handgelenk) bildenden Glieder, relativ leicht ausgeführt sind und eine Bewegung ohne Antriebsunterstützung während des manuellen Programmierens erlauben. Ein Kraftwandler ist in Reihe mit dem Endglied des Manipulators in Zuordnung zu einem der massiven Glieder verbunden, welches zwischen der Hand und dem stationären Sockel, auf dem der Manipulator befestigt ist, lokalisiert ist. Der Wandler erfühlt Kräfte, die während des Programmierens auf die massiven Glieder über die Hand ausgeübt werden, wenn manuelle Programmierkräfte auf das Manipulator-Endglied ausgeübt werden. Der Kraftwandler liefert ein Ausgangssignal für jedes der massiven Glieder, das mit der Komponente der manuellen Programmierkraft korreliert ist, welche an diese über die Hand übertragen wird. Diese Kraftwandler-Ausgangssignale sind sämtlich in bezug auf auf die massiven Glieder aufgrund der Beschleunigung der Handmasse einwirkenden Trägheitskräfte kompensiert, während die Kraftwandler-Ausgangssignale, die den sich in einer vertikalen Ebene bewegenden massiven Gliedern zugeordnet sind, nur auf Gravitätskräfte kompensiert sind, die auf diese einwirken und aus der Handmasse

1300 17/0826

resultieren. Während des Programmierend werden die trägheitsmäßig und/oder gravitatorisch kompensierten Kraftwandler-Ausgangssignale den Betätigungsorganen ihrer jeweils zugeordneten massiven Glieder zugeführt, wodurch die massiven Glieder in antriebsunterstützter Weise bewegt werden, während die leichten Glieder der Hand sich in nicht unterstützter Weise in Abhängigkeit von der während des Programmierens auf diese ausgeübten manuellen Kraft bewegen. Die antriebsunterstützte Bewegung der massiven Glieder vermöge der ihnen jeweils zugeordneten Betätigungsorgane, zusammen mit der nicht unterstützten Bewegung der leichten Glieder, die die Hand bilden, erzeugen zusammen eine Bewegung des Manipulator-Endglieds in der Richtung, in der die manuelle Kraft auf es während des manuellen Programmierens ausgeübt wird.

Die Wandlerausgänge können auch in bezug auf nicht gleichförmige Beschleunigung der Hand dadurch kompensiert werden, daß der Kraftwandlerausgang entsprechend der dritten Ableitung nach der Zeit von der Auslenkung der Hand modifiziert wird. Dies verbessert die "Fühlung" des Manipulators während des manuellen Programmierens.

130017/082-6

Claims

NORDSON CORPORATION, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Ohio, Jackson Street, Amherst, Ohio 44001 (V.St.A.)

Manuell prograiranierbarer Manipulator

Ansprüche

Manuell programmierbarer Manipulator zur wiederholten Ausführung einer Reihe von programmierten Bewegungsabläufen, mit

einem Sockel (10), der auf einem den Manipulator tragenden Fundament aufgestellt werden kann; wenigstens einem langgestreckten, relativ massigen Glied (16, 18, 20), welches erste und zweite Extremitäten aufweist;

einer ersten Einrichtung (22), welche den Sockel (10) mit der ersten Extremität (16) des massiven Gliedes zur Erleichterung einer wählbaren Bewegung des massiven Gliedes in einer ersten Richtung (X) relativ

HZ/il

130017/0826

1038466

zum Sockel verbindet und einen ersten Freiheitsgrad für den Manipulator ermöglicht;

wenigstens einem relativ leichten langgestreckten Glied (38, 40, 42), an dessen Endglied (42) eine Nutzvorrichtung (58) verbunden ist, welche eine programmierte Bewegung längs eines Pfades von wenigstens zwei Freiheitsgraden ausführen soll, wobei das leichte Glied ein inneres Ende aufweist;

zweite Einrichtungen, die das innere Ende des leichten Gliedes mit der zweiten Extremität (20) des massiven Gliedes verbinden und eine wählbare Bewegung des leichten Gliedes in einer zweiten Richtung relativ zum massiven Glied erleichtern, wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung verschieden ist, und dem Manipulator ein zweiter Freiheitsgrad verliehen und seine Bewegung in zwei unterschiedlichen Richtungen erleichtert ist;

wobei das leichte Glied relativ zum massiven Glied in der zweiten Richtung ohne Antriebsunterstützung beweglich ist, wenn eine Manuellkraft auf das Außenglied (42) des leichten Gliedes während des manuellen Programmierens des Manipulators ausgeübt wird, wobei das massive Glied in der ersten Richtung ohne Antriebsunterstützung in Abhängigkeit von einer auf das Außenglied während des manuellen Programmierens einwirkenden manuellen Kraft relativ unbeweglich ist; einem ersten Betätigungsorgan (22), welches dem massiven Glied zur Bewegung in.der ersten Richtung relativ zum Sockel (10) zugeordnet ist;

einem zweiten Betätigungsorgan (44, 48, 52), das dem leichten Glied zu der Bewegung in der zweiten Richtung zugeordnet ist;

mit einem ersten Positionswandler (24) , der dem massiven Glied zur Erzeugung eines Signals zugeordnet ist,

13 0017/0828

das der Position des massiven Gliedes korreliert ist; einem zweiten Positionswandler, der dem leichten Glied zugeordnet ist und ein Signal erzeugt, welches zur Position des leichten Gliedes korreliert ist; einem in Reihe mit dem massiven und leichten Glied befestigten Kraftwandler (61) zwischen dem Sockel (10) und der zweiten Verbindungseinrichtung, der die auf das massive Glied in der ersten Richtung einwirkende Kraft abfühlt, welche durch Einwirkung einer manuellen Programmierkraft auf das Außenglied (42) des leichten Gliedes während des manuellen Programmierens des Manipulators einwirkt, wobei die manuelle Programmierkraft, die in beliebiger Richtung angewandt ist, weder mit der ersten noch mit der zweiten Richtung zusammenfällt, sondern vielmehr Kraftkomponenten gleichzeitig in der ersten und der zweiten Richtung besitzt, um eine Bewegung des massiven und leichten Gliedes gleichzeitig in jeder der ersten und zweiten Richtungen zu induzieren, wobei der Kraftwandler ein Ausgangssignal mit Komponenten erzeugt, die a) der dem äußeren Endglied des leichten Gliedes in der ersten Richtung einwirkenden manuellen Kraftkomponente und b) der aufgrund einer Beschleunigung des leichten Gliedes in der ersten Richtung auftretenden Trägheitskraft korreliert sind;

einer Trägheitskraft-Kompensationsschaltung (112) zum Vernichten wenigstens eines Teils der Komponente des Kraftwandler-Ausgangssignals, welches mit der Trägheitskraft des leichten Gliedes in der ersten Richtung korreliert ist, die ein Trägheitskraft-kompensiertes Signal an ein erstes Betätigungsorgan liefert, das mit der Komponente der in der ersten Richtung ausgeübten manuellen Kraft korreliert ist, um während des manuellen Programmierens eine antriebsunterstützte Bewegung des

130017/0826

1038466

massiven Gliedes in der ersten Richtung zu erzeugen, während das leichte Glied sich nicht unterstützt in der zweiten Richtung bewegt, wobei die antriebsunterstützte Bewegung des ersten Gliedes und die nicht unterstützte Bewegung des zweiten Gliedes zusammen das äußere Endglied des leichten Gliedes in jener gewählten Richtung bewegen, in welcher die manuelle Kraft ausgeübt worden ist;

mit einem Aufzeichnungsgerät, in welchem der Ausgang der Positionswandler während des manuellen Programmier ens aufgezeichnet werden kann; und mit einer Wiedergabeeinrichtung, die die aufgezeichneten Positionswandlerausgänge reproduziert und sie ihren jeweils zugeordneten Betätigungsorganen zur Ausführung der programmierten Bewegungen ohne manuelle Hilfe zuführt.
2. Manipulator nach Anspruch Λ_τ dadurch gekennzeichnet, daß das erste Glied sich im wesentlichen nur in einer vertikalen Ebene bewegt; daß das Kraftwandler-Ausgangssignal eine weitere Komponente aufweist, die mit der auf das leichte Glied wirkenden Gravitationskraft korreliert ist; und daß die Kompensationsschaltung wenigstens einen Teil der Gravitationskraft-Komponente jenes Kraftwandler-Ausgangssignals ausblendet und dem ersten Betätigungsorgan ein resultierendes massives Glied-Antriebssignal zuführt, welches zusätzlich zu der wenigstens teilweisen Kompensation von Trägheitskraft des leichten Gliedes wenigstens auch teilweise in bezug auf die auf das leichte Glied wirkende Gravitationskraft kompensiert ist.
3.Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Betätigungsorgan ein lineares proportionales Servosteuerventil (120) und einen elektrischen Integrierer (122) zur Erzeugung einer antriebsunterstützten Beschleunigung des massiven Gliedes in der ersten Richtung aufweist, wenn eine manuelle Kraft auf das Außenglied des leichten Gliedes mit einer Kraftkomponente angewandt wird, die in der ersten Richtung liegt und konstante Amplitude hat.
4. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Verbindungsmittel eine Schwenkbewegung in der ersten und zweiten Richtung um erste und zweite Achsen, die zueinander im wesentlichen orthogonal sind, ermöglichen, und wobei der Kraftwandler eine Scherkraft in dem massiven Glied in einer Richtung erfühlt, die senkrecht zu (a) einer gedachten Radiallinie ist, die sich zwischen der ersten und der zweiten Achse erstreckt, und (b) zu einer Ebene senkrecht ist, die die erste Achse enthält.
5. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf den Kraftwandler während des Ausführens der programmierten Bewegungsabschnitte ansprechende Einrichtung zur Feststellung anomaler Kräfte in dem Manipulator vorhanden ist.
6. Manuell programmierbarer Manipulator zur Ausführung einer Reihe von programmierten Bewegungsschritten mit einem Sockel (10), der auf der Stützfläche eines Fundaments aufstellbar ist;

einem relativ massiven Fußglied (16) , das um eine erste feste vertikale Achse (X) drehbar auf dem Sockel befestigt ist und dem Manipulator einen ersten Freiheits-

130017/0826

1038466

grad verleiht;

einem ersten Betätigungsorgan (22) , welches das Fußglied (16) um die erste Achse nach Wahl drehen lassen kann;

einem ersten relativ massigen langgestreckten Glied (18), das an seinem inneren Ende mit dem Fußglied (16) um eine zweite, horizontale Achse (Y) in einer vertikalen Ebene schwenkbar befestigt ist und dem Manipulator einen zweiten Freiheitsgrad verleiht;

einem zweiten Betätigungsorgan zum Verschwenken des ersten Gliedes (18) um sein inneres Ende relativ zu dem Fußglied (16) um die zweite Achse (Y, 26); einem zweiten relativ massigen langgestreckten Glied (20) _r das an seinem inneren Ende mit dem äußeren Ende des ersten Gliedes (18) in einer vertikalen Ebene schwenkbar befestigt ist und dem Manipulator einen dritten Freiheitsgrad verleiht;

einem dritten Betätigungsorgan (33) zum wahlweisen Verschwenken des zweiten Gliedes (20) um sein inneres Ende relativ zum ersten Glied (18); einem dritten relativ leichten um das äußere Ende des zweiten Gliedes um eine Achse drehbar befestigten Glied (38), welches sich vom zweiten Glied (20) ausgehend erstreckt, wodurch dem Manipulator ein vierter Freiheitsgrad verliehen wird;

einem vierten Betätigungsorgan (44) zum wahlweisen InDrehung -Versetzen des dritten Gliedes (38) relativ zum zweiten Glied;

einem vierten relativ leichten Glied (40), das mit dem äußeren Ende des dritten Gliedes (38) um eine Achse drehbar befestigt ist, die senkrecht zu dem dritten Glied sich erstreckt, wodurch dem Manipulator ein fünfter Freiheitsgrad verliehen wird;

1 3001 7/0826

1038466

einem fünften Betätigungsorgan (48) zum wahlweisen In-Rotation-Versetzen des vierten Gliedes (40) relativ zum dritten Glied (38);

einem fünften relativ leichten Glied (42), welches mit dem äußeren Ende des vierten Gliedes (40) um eine Achse drehbar befestigt ist, die senkrecht zum vierten Glied (40) steht, wodurch dem Manipulator ein sechster Freiheitsgrad verliehen ist;

einem sechsten Betätigungsorgan (52) zum wahlweisen In-Drehung-Versetzen des fünften Gliedes (42) relativ zum vierten Glied (40);

mit Positionswandlern, die jedem der Glieder zugeordnet sind und Signale erzeugen, die mit den relativen Positionen der Glieder korreliert sind; wobei die leichten Glieder relativ zu den massiven Gliedern und dem Fußglied ohne Antriebsunterstützung beweglich sind, wenn eine manuelle Kraft auf das Endglied des fünften leichten Gliedes während des manuellen Programmierens des Manipulators ausgeübt wird, wobei die massiven Glieder und das Fußglied relativ unbeweglich bezüglich des Sockels sind, wenn keine Antriebsunterstützung in Abhängigkeit von der manuellen Programmierkraft vorhanden ist;

Kraftwandlern (61), welche mechanisch seriell zu dem massiven Fußglied und den ersten und zweiten massiven Gliedern vorgesehen und separat Kräfte messen, die auf das Außenende des zweiten Gliedes über das dritte, vierte und fünfte Glied in der ersten, zweiten und dritten Richtung parallel zur ersten feststehenden vertikalen Achse, zur zweiten horizontalen Achse und zu einer dritten horizontalen Achse, die senkrecht zu den ersten und zweiten Achsen steht, ausgeübt werden, wenn eine manuelle Kraft in beliebiger Richtung während des Programmierens auf das Außenglied des fünften Gliedes ausgeübt wird;

13 0017/0826

1038486

Schaltungseinrichtungen zum Kompensieren der Ausgänge der Kraftwandler für wenigstens einen Teil der Trägheitskräfte, die auf das Außenende des zweiten Gliedes aufgrund von GeschwindigkeitsVeränderungen der dritten, vierten und fünften Glieder ausgeübt werden, wobei die Schaltungseinrichtung Trägheitskraft-kompensierte Signale auf die ersten, zweiten und dritten Betätigungsorgane gibt, die mit den Komponenten der auf das Außenende des fünften Gliedes in der zweiten, dritten und ersten Richtung korreliert sind und während des manuellen Programmierens eine antriebsunterstützte Bewegung des Fußgliedes, des ersten und zweiten Gliedes schaffen, während die leichten Glieder nicht antriebsunterstützt sich in die jeweiligen Bewegungsrichtungen bewegen, wobei die antriebsunterstützte Bewegung und die nicht unterstützte Bewegung zusammengenommen das Endglied des fünften leichten Gliedes in jede beliebige Richtung bewegen, in der die manuelle Kraft während des Programmierens ausgeübt wurde;

Aufzeichnungsmittel, welche die Ausgänge der Positionswandler während des Programmierens aufzuzeichnen gestatten; und

mit Reproduzierungsmitteln, welche die aufgezeichneten Positionswandlerausgänge reproduzieren und sie den jeweils zugehörigen Betätigungsorganen zuführen, um die programmierten Bewegungsabläufe ohne manuelle Unterstützung ausführen zu können.
7. Manipulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftwandler auf Kräfte in der ersten und dritten Richtung ansprechen und Ausgangssignal-Komponenten haben, die mit der auf die leichten Glieder wirkenden Gravitationskraft korreliert sind; daß die Kompensationsschaltung wenigstens einen Teil der Gravitationskraft-Komponenten

13ΠΟ17/Ο826

— 9 — . ■ ·

jener Kraftwandler in der ersten und dritten Richtung ausblenden und den dritten und zweiten Betätigungsorganen resultierende Gliederantriebs-Signale zuführen, die zusätzlich zu der wenigstens teilweisen Kompensation gegenüber der Trägheitskraft der leichten Glieder auch wenigstens teilweise gegenüber der Gravitationskraft der leichten Glieder kompensiert sind.
8. Manuell programmierter Manipulator zur Ausführung einer Reihe von programmierten Bewegungsabläufen mit einem Sockel (10), der auf einer Stützfläche eine Fundaments aufgestellt werden kann;

einem relativ massiven Fußglied (16), das drehbar an dem Sockel befestigt ist;

einem ersten Betätigungsorgan (22), das das Fußglied relativ zum Sockel bewegen kann;

einem ersten relativ massiven langgestreckten Glied, das an seinem inneren Ende mit dem Fußglied zur Schwenkbewegung um eine zweite horizontale Achse in einer vertikalen Ebene befestigt ist;

einem zweiten Betätigungsorgan (28), welches wahlweise das erste Glied (18) um sein inneres Ende relativ zum Fußglied (16) um die zweite Achse verschwenken kann; einem zweiten relativ massiven langgestreckten Glied, das an seinem inneren Ende mit dem äußeren Ende des ersten Gliedes schwenkbar um sein inneres Ende in einer vertikalen Ebene befestigt ist; einem dritten Betätigungsorgan (33) , das wahlweise das zweite Glied um sein inneres Ende relativ zum ersten Glied verschwenken kann;

einem relativ leichten Hand (14), die mit dem Außenende des zweiten Gliedes (20) verbunden ist und wenigstens ein Betätigungsorgan (44) und ein mechanisches Endglied (42) aufweist, das den Manipulatorausgang

1 30017/0828

1038466

darstellt, wodurch der Manipulator wenigstens einen zusätzlichen weiteren Freiheitsgrad in einer vorgegebenen Richtung erhält;

wobei die leichte Hand relativ zu den massiven Gliedern und dem Fußglied ohne Antriebsunterstützung beweglich ist, wenn eine manuelle Kraft auf das Endglied (42) der Hand während ihres manuellen Programmierens ausgeübt wird, wobei die massiven Glieder und das Fußglied relativ unbeweglich im Verhältnis zum Sockel bei nicht vorhandener AntriebsunterStützung in Abhängigkeit von der manuellen Programmierkraft sind; Positionswandlern, die dem Fußglied, den Gliedern und der Hand zur Erzeugung von Signalen zugeordnet sind, die mit den relativen Positionen dieser Glieder korreliert sind;

Kraftwandlern (61), die mechanisch in Reihe mit dem Fußglied und den ersten und zweiten massiven Gliedern eingebaut sind und separat die Kräfte messen können, die auf das Außenende des zweiten- Gliedes (20) über die Hand (14) in der ersten, zweiten und dritten Richtung parallel zur ersten vertikalen festen Achse, zweiten horizontalen Achse und dritten horizontalen Achse senkrecht zur ersten und zweiten Achse ausgeübt werden, wenn eine manuelle Kraft in einer beliebigen Richtung während des Programmierens auf das Endglied (42) des Manipulators ausgeübt wird; Schalteinrichtungen zum wenigstens teilweisen Kompensieren der Ausgänge der Kraftwandler in bezug auf Trägheitskräfte, die auf das Außenende des zweiten Gliedes (20) aufgrund von Geschwindigkeitsveränderungen der Hand (14) einwirken, wobei die Schaltungseinrichtungen Trägheitskraft-kompensierte Signale den ersten, zweiten und dritten Auslösern zuführen, die mit den Komponenten der auf das Ausgangsglied (42) des Manipulators

130017/0 826

in der zweiten, dritten und ersten Richtung korreliert sind und während des manuellen Programmierens eine antriebsunterstützte Bewegung des Fußglieds, des ersten und zweiten Glieds erzeugen, während die Hand sich in einer vorgegebenen Bewegungsrichtung nicht antriebsunterstützt bewegt, wobei die antriebsunterstützte Bewegung und die nicht antriebsunterstützte Bewegung zusammen das Ausgangsglied (42) des Manipulators in die willkürliche Richtung bewegen, in welcher die manuelle Kraft während des Programmierens ausgeübt wurde; Aufzeichnungseinrichtungen, welche die Ausgänge der Positionswandler (24,30,34) während des Programmierens aufzuzeichnen gestatten; und

mit Einrichtungen zum Reproduzieren der aufgezeichneten Positionswandler-Ausgänge, welche diese auf ihre jeweils zugehörigen Betätigungsorgane zur Ausführung der programmierten Bewegungsschritte geben.
9. Manipulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kräfte in der ersten und dritten Richtung ansprechenden Kraftwandler (61) Ausgangssignal-Komponenten haben, die der auf die Hand (14) wirkenden Gravitationskraft korreliert sind; und daß die Kompensationsschaltung wenigstens teilweise die Gravitationskraft-Komponenten der Kraftwandler in der ersten und zweiten Richtung ausblenden und den dritten und zweiten Betätigungsorganen jeweils resultierende Glieder-Antriebssignale zuführen, die zusätzlich zu ihrer wenigstens teilweisen Kompensation in bezug auf Trägheitskräfte der Hand (14) auch wenigstens für Gravitationskräfte der Hand kompensiert sind.
10. Manuell programmierter Manipulator zur Ausführung einer Reihe von programmierten Bewegungsabläufen mit einem Sockel (10), der auf einer Stützfläche eines

13 0 0 17/0828

Fundaments aufgestellt werden kann, einem relativ massigen Fußglied, das um eine erste feste vertikale Achse drehbar auf dem Sockel befestigt ist; mit einem ersten Betätigungsorgan (22), mit dem das Fußglied um die erste vertikale Achse gedreht werden kann; mit einem relativ massigen langgestreckten Glied, das an seinem inneren Ende mit dem Fußglied schwenkbar befestigt ist und um eine zweite horizontale Achse in einer vertikalen Ebene verschwenkbar beweglich ist; mit einem zweiten Betätigungsorgan, welches das Glied um sein inneres Ende relativ zum Fußglied um die zweite Achse verschwenken kann; mit einer relativ leichten Hand, die mit dem Außenende des Gliedes verbunden ist und wenigstens ein Betätigungsorgan und ein mechanisches Endglied (42) aufweist, welches den Manipulatorausgang darstellt, so daß der Manipulatorausgang wenigstens einen zusätzlichen Freiheitsgrad in einer vorgegebenen Richtung aufweist, wobei die leichte Hand relativ zum massiven Glied und zum Fußglied ohne Antriebsunterstützung beweglich ist, wenn eine manuelle Kraft auf das Ausgangsglied (42) der Hand (14) während des manuellen Programmierens ausgeübt wird, wobei das massive Glied und das Fußglied gegenüber manueller Programmierkraft ohne Antriebsunterstützung relativ unbeweglich relativ zum Sockel sind;

mit Positionswandlern (24, 30, 34), die jedem Fußglied, sonstigen Glied und der Hand zugeordnet sind und Signale liefern, die mit den relativen Positionen derselben in Korrelation stehen;

mit ersten und zweiten Kraftwandlern, die mechanisch in Reihe mit dem massiven Fußglied und dem Glied gelegt sind und separat Kräfte messen, die auf das Außenende des Glieds (20) über die Hand (14) in erster und zweiter Richtung parallel zur ersten vertikalen Achse und jener

13 0 017/0828

zweiten horizontalen Achse ausgeübt wer-den, wenn eine manuelle Kraft in eine beliebige Richtung während des Programmierens auf das Ausgangsglied (42) des Manipulators ausgeübt wird;

mit Schaltungseinrichtungen, die wenigstens teilweise die Ausgänge der ersten und zweiten Kraftwandler auf Trägheitskräfte kompensieren, die auf das Außenglied (42) des Gliedes aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen der Hand übertragen werden, und die wenigstens teilweise den Ausgang des ersten Kraftwandlers in bezug auf eine Gravitationskraft kompensieren, die über die Hand auf das Glied ausgeübt wird, und die ein Trägheitskraftkompensiertes Signal dem ersten Betätigungsorgan und ein Trägheits- und Gravitationskraft-kompensiertes Signal dem zweiten Betätigungsorgan zuleiten, welches mit den Komponenten der manuellen Kraft auf das Manipulator-Ausgangselement (42) in der zweiten und ersten Richtung in Korrelation steht und während des manuellen Programmierens eine antriebsunterstützte Bewegung des Fußglieds und des weiteren Glieds in den jeweiligen Richtungen erzeugen, während die leichte Hand sich nicht unterstützt in die jeweilige Richtung der Bewegung bewegt, wobei die antriebsunterstützte und die nicht unterstützte Bewegung zusammengenommen das Ausgangsglied (42) des Manipulators in die beliebige Richtung bewegen, in welcher die manuelle Kraft während des Programmierens ausgeübt worden ist; mit Einrichtungen zum Aufzeichnen des Ausgangs der Positionswandler während des Programmierens; sowie mit Einrichtungen zum Reproduzieren der aufgezeichneten Positionswandler-Ausgänge und zu dem Zuleiten derselben zu den zugehörigen Betätigungsorganen.

13 0017/0826
11. Manipulator nach Anspruch 6, 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kraftwandler (61) während der Ausführung der programmierten Bewegungsabläufe ansprechende Einrichtungen (150, 152) vorgesehen sind, die das Auftreten anomaler Kräfte in dem Manipulator feststellen.
12. Manuell programmierter Manipulator zur Ausführung einer Reihe von programmierten Bewegungsabläufen mit einem auf die Stützfläche eines Fundaments aufstellbaren Sockel (10), mit wenigstens einem relativ massigen langgestreckten Glied, welches erste und zweite Extremitäten aufweist; mit einer ersten Verbindungseinrichtung, die den Sockel und die erste Extremität des massiven Gliedes zur Erleichterung einer wählbaren Bewegung des massiven Gliedes in einer ersten Richtung relativ zum Sockel verbindet, wodurch dem Manipulator ein erster Freiheitsgrad verliehen ist; mit wenigstens einem relativ leichten langgestreckten Glied, an dessen Außenende ein Nutzgerät anschließbar ist, das eine programmierte Bewegung längs eines Pfades in wenigstens zwei Freiheitsgraden ausführen soll, wobei das leichte Glied auch ein inneres Ende hat; mit zweiten Verbindungseinrichtungen, die das innere Ende des leichten Gliedes mit der zweiten Extremität des massiven Gliedes verbinden und eine wählbare Bewegung des leichten Gliedes in einer zweiten Richtung relativ zum massiven Glied erleichtern, wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung verschieden ist, so daß der Manipulator einen zweiten Freiheitsgrad erhält und seine Bewegung in zwei unterschiedlichen Richtungen erleichtert ist_r wobei das leichte Glied relativ zum massiven Glied in der zweiten Richtung ohne Antriebsunterstützung, beweglich ist, wenn eine manuelle Kraft auf das Außenende des leichten Gliedes während des manuellen Programmierens

130017/0826

des Manipulators beweglich ist und das massive Glied relativ unbeweglich in der ersten Richtung ohne Kraftunterstützung ist, und zwar in Abhängigkeit von der Einwirkung einer manuellen Kraft auf das Außenende des leichten Gliedes während des manuellen Programmierens; mit einem ersten Betätigungsorgan, das dem massiven Glied zum Bewegen desselben in der ersten Richtung relativ zum Sockel zugeordnet ist; mit einem zweiten Betätigungsorgan, das dem leichten Glied zu dessen Bewegung in der zweiten Richtung zugeordnet ist; mit einem ersten Positionswandler, der dem massiven Glied zur Erzeugung eines Signals zugeordnet ist, das der Position des massiven Glieds korreliert ist; mit einem zweiten Positionswandler, der dem leichten Glied zur Erzeugung eines Signals zugeordnet ist, das mit der Position des leichten Gliedes korreliert ist; mit einem mit dem massiven und leichten Glied zwischen dem Sockel und der zweiten Verbindungseinrichtung in Reihe befestigten Kraftwandler zum Erfühlen der Kraft, der das massive Glied in erster Richtung unterworfen ist durch die manuelle Programmierkraft, die auf das Außenende des leichten Gliedes während des manuellen Programmierens des Manipulators einwirkt, wobei die manuelle Programmierkraft in beliebige Richtung weist, die nicht mit der ersten und zweiten Richtung zusammenfallen muß, sondern Kraftkomponenten hat, die gleichzeitig in die erste und zweite Richtung weisen und eine Bewegung des massiven und leichten Gliedes gleichzeitig in erster und zweiter Richtung induzieren, wobei der Kraftwandler ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Komponenten mit (a) der manuellen Kraftkomponente in der ersten Richtung, die auf das Außenende des leichten Gliedes einwirkt, sowie (b) mit der Trägheitskraft aufgrund einer Beschleunigung des leichten Gliedes in

1 3 0 0 1 7 / 0 8 2 θ

der ersten Richtung, sowie (c) mit der Gravitationskraft, die auf das leichte Glied einwirkt, korreliert sind; mit Kompensationsschaltungen zum Ausblenden wenigstens eines Teils des Kraftwandler-Ausgangssignals und zum Schaffen eines kompensierten Signals für das erste Betätigungsorgan, welches mit wenigstens der zweiten oder dritten Ableitung nach der Zeit der Auslenkung des leichten Gliedes korreliert ist und während des manuellen Programmierens eine antriebsunterstützte Bewegung des massiven Gliedes in erster Richtung erzeugt, während das leichte Glied sich ununterstützt in der zweiten Richtung bewegt, wobei die antriebsunterstützte Bewegung des ersten Gliedes und die nicht unterstützte Bewegung des zweiten Gliedes zusammen das Außenende des leichten Gliedes in jene beliebige Richtung bewegen, in welcher die manuelle Kraft angelegt wurde; mit einer Aufzeichnungseinrichtung, mit der der Ausgang der Positionswandler während des manuellen Programmierens aufgezeichnet werden kann; sowie mit einer Reproduktionseinrichtung, die die aufgezeichneten Positionswandler-Ausgänge reproduziert und sie den zugehörigen Betätigungsorganen zur Ausführung der programmierten Bewegungsabläufe ohne manuelle Unterstützung zuführt.
13. Manipulator nach einem der vorstehenden Ansprüche als Werkzeughalter zum manuell gesteuerten Positionieren des Werkzeugs in verschiedenen STellungen durch Anwendung einer manuellen Kraft auf das Werkzeug in der Richtung, in der es bewegt werden soll.
14. Manipulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Glied sich im wesentlichen nur in einer vertikalen Ebene bewegt; daß das Kraftwandler-Ausgangssignal eine weitere

130017/0826

Komponente aufweist, die der Gravitationskraft auf das leichte Glied korreliert ist; und daß die Kompensationsschaltung wenigstens teilweise die Gravitationskraft-Komponente des Kraftwandler-Ausgangssignals ausblendet und ein resultierendes Massivglied-Antriebssignal dem ersten Betätigungssignal zuführt, das zusätzlich zu einer wenigstens partiellen Kompensation der Trägheitskraft des leichten Gliedes außerdem wenigstens partiell im Hinblick auf die Gravitationskraft des leichten Gliedes kompensiert ist.
15. Manipulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan wenigstens ein lineares proportionales Servosteuerventil (120) und einen elektrischen Integrierer (122) zur Erzeugung einer antriebsunterstützten Beschleunigung des massiven Gliedes in der ersten Richtung aufweist, wenn eine manuelle Kraft auf das äußere Ende des leichten Gliedes einwirkt, welche eine Kraftkomponente konstanter Größe in der ersten Richtung besitzt.
16. Manipulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Verbindungseinrichtung eine Schwenkbewegung in der ersten und zweiten Richtung um die erste und zweite Achse beweglich, die im wesentlich orthogonal zueinander sind; und daß der Kraftwandler eine Scherkraft in dem massiven Arm in einer Richtung erfühlt, die senkrecht zu (a) einer gedachten Radiuslinie zwischen der ersten und zweiten Achse und (b) einer die erste Achse enthaltenden Ebene ist.
17. Manipulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des

1 30017/0826

Kraftwandlers ebenfalls wenigstens teilweise für eine nicht gleichförmige Beschleunigung des leichten Gliedes kompensiert ist; daß Kompensationsexnrichtungen zur Modifizierung des Ausgangs des Kraftwandlers in Abhängigkeit von der dritten zeitlichen Ableitung nach der Auslenkung des leichten Gliedes in der ersten Richtung vorgesehen sind.
18. Manipulator nach Anspruch 6 oder 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Kraftwandler ferner wenigstens teilweise auf eine nicht gleichförmige Beschleunigung des leichten Gliedes kompensiert sind; und daß eine Kompensatxonseinrxchtung zum Modifizieren der Ausgänge der Kraftwandler in Abhängigkeit von der dritten zeitlichen Ableitung nach der Auslenkung des leichten Gliedes in der ersten, zweiten und dritten Richtung vorgesehen ist.

130017/0026

BAD ORIGINAL