DE4314597A1 - Measuring arrangement for position determination in manipulators - Google Patents
Measuring arrangement for position determination in manipulatorsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Positionsbestim mung bei Manipulatoren mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patent anspruchs 1 bezeichneten Gattung.The invention relates to a measuring arrangement for position determination in manipulators with the features of in the preamble of the patent claim 1 designated genus.
Bei Manipulatoren handelt es sich um Industrieroboter und andere Hand habungsgeräte, die in der Automatisierungstechnik der Führung von Werk zeugen, Fügevorgängen oder allgemeinen Handhabungsaufgaben dienen. Wei terhin sind hierunter auch die sogenannten Großmanipulatoren zu verstehen, die sich als Betonpumpe, Reinigungsmaschine für Flugzeugaußenseiten und Gebäudefronten oder Inspektionsfahrzeuge für Brücken darstellen. Derartige Manipulatoren bestehen aus einer Verkettung von Gliedern und Gelenken (ki nematische Kette) bei denen die Gelenke in der Regel mit Antrieben ausge stattet sind. Hierbei ist das erste Glied oder Gelenk fest im Raum positioniert und das letzte Glied, auch Endeffektor genannt, enthält eine Vorrichtung zur Werkzeugaufnahme oder Handhabung. Weiterhin erfolgt durch die Gelenkan triebe die Positionierung von jeweils zwei Gliedern zueinander und damit auch die gesamte Positionierung des Manipulators im Raum. Die Bestimmung der genauen Position des Endeffektor ist dabei von primärem Interesse, damit die Steuerung der Gelenkantriebe derart erfolgen kann, daß bestimmte Sollposi tionen des Endeffektors eingestellt werden können. Unter der Position des Endeffektors im Raum ist dessen Lage (Angabe durch 3 Koordinaten) und dessen Orientierung (Angabe durch 3 Koordinaten) zu verstehen.Manipulators are industrial robots and other hand Habitation devices that are used in automation technology to guide the factory testify, join processes or general handling tasks. Wei this also includes the so-called large manipulators, which can be used as a concrete pump, cleaning machine for aircraft outsides and Represent building fronts or inspection vehicles for bridges. Such Manipulators consist of a chain of limbs and joints (ki nematic chain) in which the joints are usually driven out are equipped. The first link or joint is firmly positioned in the room and the last link, also called end effector, contains a device for Tool holder or handling. Furthermore, the articulation takes place drive the positioning of two links to each other and thus the entire positioning of the manipulator in the room. The determination of The exact position of the end effector is of primary interest so that the Control of the articulated drives can take place such that certain target positions end effector can be set. Under the position of the The end effector in space is its position (indicated by 3 coordinates) and understand its orientation (indicated by 3 coordinates).
Die Bestimmung des Endeffektors im Raum wird bekannterweise über wiegend indirekt durch die Meßung der Positionen jeweils zweier Glieder zu einander und anschließender rechentechnischer Verknüpfung aller Messungen durchgeführt. Hierzu werden Positionssensoren eingesetzt, die entweder direkt mit dem Gelenkantrieb oder dem Gelenk verbunden sind. Zur Ermittlung von Verformungen, insbesondere der Glieder, werden Systeme mit Dehnungsmeß streifen oder Lasersysteme eingesetzt. Eine andere Vorgehensweise zur Bestim mung der Endeffektor-Position ist durch die Verwendung von Lasertriangulati onssystemen oder Laserfolgesystemen (Weule, H. und Reichling, B.: Optisches Meßsystem zur Genauigkeitsprüfung von Industrierobotern, Robotersysteme 3 (1989), Seiten 189-198), die sich direkt auf den Endeffektor beziehen, möglich.The determination of the end effector in space is known to be about predominantly indirectly by measuring the positions of two terms each other and subsequent mathematical linking of all measurements carried out. Position sensors are used for this, either directly are connected to the joint drive or the joint. To determine Deformations, especially of the links, become systems with strain gauges strips or laser systems used. Another way of determining The end effector position is determined by the use of laser triangulati or laser tracking systems (Weule, H. and Reichling, B .: Optical Measuring system for accuracy testing of industrial robots, robot systems 3 (1989), pages 189-198), which relate directly to the end effector.
Die Nachteile der bekannten Ausführungen für die indirekte Bestimmung der Endeffektorposition sind vielfältig und bewirken eine fehlerbehaftete Po sitionsbestimmung mit einer daraus resultierenden fehlerhaften Positionsrege lung. Überwiegende Ursache für die Fehler sind in den real ausgeführten, nicht idealen Bauteilen zu suchen. Hierbei sind insbesondere Elastizität, Spiel bzw. Lose und Reibung von Getrieben sowie sich deformierende Glieder zu nennen. Eine Auswahl von Fehlerursachen dient der Verdeutlichung. Bei der Stan dardrealisierung eines Gelenkantriebes durch einen Motor mit Getriebe wird der Positionssensor direkt mit dem Motor gekoppelt. Der Sensor ermittelt somit nicht die (relative) Position des anzutreibenden Gelenkes sondern die des Motors. Alle Fehler des Getriebes werden somit durch die Messung nicht erfaßt. Zur Vermeidung dieser Meßfehler, die gegenüber der tatsächlichen Po sition des Gelenkes bestehen, kann ein Direktantrieb ohne Getriebe oder ein Positionssensor, der direkt auf dem Gelenk montiert wird, verwendet werden. Insbesondere die sich ständig ändernden Verformungen der Glieder aufgrund von unterschiedlichen Lastzuständen (Positionen der einzelnen Manipulator- Glieder, zu handhabende Last) werden dadurch jedoch nicht berücksichtigt und erfordern zu deren Kompensation spezielle Sensoren wie Dehnungsmeß streifen, die das Messen von Verformungen ermöglichen. Hierzu ist jedoch das Wissen um eine repräsentative Meßstelle und das genaue Deformationsverhal ten des Gliedes erforderlich. Ein anderer Aufbau ist durch Lasermeßstrecken in Verbindung mit positionssensitiven Sensoren möglich. Für beide Systeme gilt aber, daß die durch das Gelenk bewirkte Positionsänderung nicht bestimmt werden kann. Somit sind für die Berücksichtigung aller Fehlerquellen der Po sitionierung zweier Glieder zueinander, in der Regel mindestens zwei Meßsy steme erforderlich. Systeme zur direkten Messung, die die tatsächliche Position des Endeffektors messen, dienen überwiegend der Vermessung von Manipula toren. Der erhebliche Aufwand und teilweise eingeschränkte Arbeitsbereiche, zum Beispiel entlang einer Geraden, macht den Einsatz uninteressant. Zusätz lich ist der Einsatz im Normalbetrieb von Manipulatoren nahezu unmöglich, da bei Anwendung dieser Verfahren von mindestens einem Betrachtungspunkt aus immer eine direkte Sichtverbindung zum Endeffektor bestehen muß. Eine Integration des Meßsystems in den Manipulator ist somit nicht möglich.The disadvantages of the known designs for indirect determination The end effector positions are varied and cause a faulty bottom position determination with a resulting incorrect position rain lung. Predominant cause of the errors are in the real ones, not to look for ideal components. Elasticity, play or Loose and friction of gears as well as deforming links. A selection of causes of errors serves to clarify. At the Stan dardrealization of an articulated drive by a motor with gear the position sensor is directly coupled to the motor. The sensor detects thus not the (relative) position of the joint to be driven but the of the motor. All errors in the gearbox are therefore not eliminated by the measurement detected. To avoid these measurement errors, which are compared to the actual Po sition of the joint can be a direct drive without a gear or Position sensor, which is mounted directly on the joint, can be used. In particular, the constantly changing deformations of the limbs due to of different load conditions (positions of the individual manipulator Links, load to be handled) are not taken into account and require special sensors such as strain gauges to compensate for them strips that allow deformation to be measured. However, this is the Knowledge of a representative measuring point and the exact deformation behavior limb required. Another construction is by laser measurement in Connection with position-sensitive sensors possible. The same applies to both systems but that the change in position caused by the joint is not determined can be. Thus, for the consideration of all sources of error, the bottom sitioning of two members to each other, usually at least two measuring systems steme required. Systems for direct measurement, the actual position of the end effector are mainly used to measure manipulations goals. The considerable effort and partially restricted work areas, for example along a straight line, makes the use uninteresting. Additional use in normal operation of manipulators is almost impossible, since using these methods from at least one point of view must always have a direct line of sight to the end effector. A Integration of the measuring system in the manipulator is therefore not possible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die tatsächliche Position des Endeffektors im Raum unabhängig von den Randbedingungen die bei einem Manipulator aufgrund seiner Konstruktion bestehen möglichst genau zu er mitteln und zwar derart, daß für die Messung der relativen Position zwischen zwei Gliedern nur ein Meßsystem erforderlich ist. Es ist weiterhin gefordert, daß die Positionsbestimmung während des normalen Betriebs des Manipula tors möglich ist, so daß diese der Ansteuerung der Gelenkantriebe dienen kann. Die Integration in einen Manipulator sollte möglich sein.The invention has for its object the actual position of the End effector in space regardless of the boundary conditions that apply to one Manipulator due to its design exist as accurately as possible average such that for the measurement of the relative position between two links only one measuring system is required. It is still required that the position determination during normal operation of the manipulator tors is possible so that this can serve to control the articulated drives. Integration into a manipulator should be possible.
Gemäß dem kenzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 wird dies da durch erreicht, daß unabhängige einzelne Meßsysteme zur relativen Positi onsmessung so zueinander angeordnet werden, daß deren Gesamtaufbau im wesentlichen dem der den Manipulator beschreibenden kinematischen Kette entspricht und die Verbindungen der einzelnen Meßsysteme mit dem Manipu lator derart erfolgen, daß Reaktionskräfte bzw. -momente des Manipulators die Meßsysteme nicht so beeinflussen, daß die Genauigkeit der (Endeffektor-) Positionsbestimmung verringert wird.According to the characterizing part of claim 1, this is because achieved by that independent individual measuring systems for relative positi ons measurement be arranged so that their overall structure in essentially that of the kinematic chain describing the manipulator corresponds and the connections of the individual measuring systems with the Manipu Lator take place such that reaction forces or moments of the manipulator do not influence the measuring systems so that the accuracy of the (end effector) Position determination is reduced.
Man erreicht zunächst durch eine Verkettung unabhängiger Meßsysteme, die der Struktur des Manipulators entspricht, daß für jeden Freiheitsgrad des Manipulators ein Meßsystem zur Verfügung steht. Es können somit gezielt die Auswirkungen jedes einzelnen Gelenkes ermittelt werden. Die einzelnen Meßsysteme sind derart beschaffen, daß diese die Messung der relativen Po sition zweier Komponenten zueinander ermöglichen. Eine Anordnung der Meßsysteme in Form der durch den Manipulator gebildeten Kette ermöglicht zusätzlich eine Integration des Meßsystems in den Manipulator, da sich die Meßstrecken der einzelnen Meßsysteme wie die Glieder des Manipulators an einanderreihen. Durch das Aneinanderreihen der Meßstrecken und somit der Verkettung der Meßsysteme ist eine genaue (relative) Positionsbestimmung des Endeffektors gegenüber dem ersten Glied oder Gelenk des Manipulators möglich, da diese Meßkette von dem Manipulator unabhängig ist. Das Kenn zeichen der Erfindung, nämlich die Anordnung der Meßsysteme gemäß der ki nematischen Struktur des Manipulators, muß nicht streng eingehalten werden. Es ist ebenso denkbar, daß mit einem der einzusetzenden Meßsysteme auch Gliedstellungen über mehr als ein Gelenk hinweg gemessen werden können. Dies erfordert aber unter Umständen ein höherwertiges oder aufwendigeres Meßsystem gegenüber der zuvor beschriebenen Darstellung. Außerdem ist die Verwendung der Meßsystemsignale zur Antriebsteuerung für die Gelen kantriebe des Manipulators erschwert. Die Genauigkeit der Meßanordnung ist durch die verwendeten Meßsysteme gegeben. Die notwendigen physikali schen Verbindungen der einzelnen Meßsysteme bzw. Meßsystemkomponenten mit dem Manipulator erfolgt derart, daß Reaktionskräfte bzw. -momente des Manipulators nicht zu Auswirkungen auf die Meßsysteme führen. Dies kann zum Beispiel dadurch bewirkt werden, daß die Verbindungspunkte der ein zelnen Meßsysteme besonders steif ausgeführt werden. Wenn zusätzlich die Verbindungspunkte am Manipulator geeignet ausgewählt werden, ergibt sich eine besonders einfache Verwendung der Meßsystemsignale zur Steuerung der Gelenkantriebe, da dann keine aufwendigen Berechnungen erforderlich sind.The first step is to link independent measuring systems, which corresponds to the structure of the manipulator that for each degree of freedom of the Manipulator a measuring system is available. It can thus be targeted the effects of each individual joint are determined. The single ones Measuring systems are designed in such a way that they measure the relative Po sition of two components to each other. An arrangement of the Measuring systems in the form of the chain formed by the manipulator additionally an integration of the measuring system in the manipulator, since the Measuring sections of the individual measuring systems such as the links of the manipulator lined up. By lining up the measuring sections and thus the Linking the measuring systems is an exact (relative) position determination of the end effector against the first link or joint of the manipulator possible because this electrode is independent of the manipulator. The Kenn Sign of the invention, namely the arrangement of the measuring systems according to the ki nematic structure of the manipulator, does not have to be strictly observed. It is also conceivable that with one of the measuring systems to be used Limbs across more than one joint can be measured. However, this may require a higher quality or more complex Measuring system compared to the previously described representation. Besides, is the use of the measuring system signals for drive control for the gels drives the manipulator difficult. The accuracy of the measuring arrangement is given by the measuring systems used. The necessary physi connections of the individual measuring systems or measuring system components with the manipulator is such that reaction forces or moments of the Manipulator does not affect the measuring systems. This can for example by causing the connection points of the one individual measuring systems are designed to be particularly rigid. If in addition the Connection points selected on the manipulator are suitable a particularly simple use of the measuring system signals to control the Articulated drives, since then no complex calculations are required.
Die weitere Spezifizierung gemäß Anspruch 2 führt auf eine Anordnung der Meßsysteme am Manipulator derart, daß es möglich ist genau die Teilposi tionen bezogen auf die Freiheitsgrade zu messen, die denen der durch die ein zelnen Manipulatorantriebe bewirkten entsprechen. Somit sind nicht nur die Positionsbestimmung des Endeffektors gegenüber dem ersten Glied sondern auch die einzelnen gelenkbezogenen relativen Bewegungen des Manipulators ermittelbar. The further specification according to claim 2 leads to an arrangement of the measuring systems on the manipulator in such a way that it is possible to precisely determine the partial positions tion based on the degrees of freedom that are measured by the one correspond to individual manipulator drives. So not just that Position determination of the end effector relative to the first link but also the individual joint-related relative movements of the manipulator detectable.
Für die einzelnen Meßsysteme kommen Meßverfahren bzw. System zur Ermittlung der Position zweier Komponenten zueinander zur Anwendung. Bei diesen Systemen kann es sich zum Beispiel um Entfernungsmesser, Winkelmes ser oder andere Geräte handeln, die wiederum auf verschiedenen physikalischen Wirkungsweisen beruhen können. Die tatsächliche Realisierung der einzelnen Meßsysteme ist nicht Gegenstand dieser Beschreibung. In der Regel haben diese Meßsysteme jedoch die Eigenschaft, daß deren Meßbereich bezüglich Verschiebungen und Orientierungsänderungen der zwei Komponenten zuein ander klein ist. Die Messung der Distanz hingegen ist eher unproblematisch. Gegenstand der Beschreibung in Anspruch 3 ist deshalb die Einführung ei nes eigenständigen Antriebs für die Ausrichtung des entsprechenden Meßsy stems, im folgenden Meßsystemantrieb genannt. Hierbei kann es sich um ei nen Antrieb für einen Freiheitsgrad oder auch eine Kombination von Antrie ben für mehrere Freiheitsgrade handeln. Diese Erweiterung ist sinnvoll um bei Meßbereichserfordernissen, die den Standardmeßbereich des verwendeten Meß systems überschreiten, eine Ausrichtung der Meßeinrichtung zu ermöglichen. Überwiegend beim Einsatz im Zusammenhang mit Drehgelenken des Manipu lators ist dies gegeben. Bei Schubgelenken ist der größte Meßbereich von der Distanzmessung zu erbringen und somit in der Regel ein Meßsystemantrieb entbehrlich.Measuring methods and systems are used for the individual measuring systems Determination of the position of two components to each other for use. At These systems can be, for example, range finders, angle meters act or other devices, which in turn on different physical Effects can be based. The actual realization of each Measuring systems is not the subject of this description. Usually have these measuring systems, however, have the property that their measuring range with respect Shifts and changes in orientation of the two components other is small. Measuring the distance, on the other hand, is rather unproblematic. The subject of the description in claim 3 is therefore the introduction of egg Independent drive for the alignment of the corresponding measuring system stems, hereinafter called the measuring system drive. This can be egg drive for a degree of freedom or a combination of drives act for several degrees of freedom. This extension makes sense by Measuring range requirements that the standard measuring range of the measuring used systems to allow alignment of the measuring device. Mainly when used in connection with swivel joints of the Manipu lators this is given. For thrust joints, the largest measuring range is from To provide distance measurement and thus usually a measuring system drive dispensable.
Anspruch 4 fordert die Steuerung des oder der in Anspruch 3 angeführ ten Meßsystemantriebe derart, daß gewährleistet ist, daß das Meßsystem bzw. dessen einzelnen Komponenten innerhalb ihrer Meßbereiche und Spezifikatio nen betrieben werden. Dies kann durch die Auswertung der Meßsystemsi gnale erfolgen, derart, daß bei Erreichen vorgegebener Meßbereichsgrenzen eine Nachführung mit Hilfe des oder der Meßsystemantriebe erfolgt. Eine Beeinflussung dieser Antriebe durch Signale aus der Manipulatorsteuerung, zum Beispiel in Form von Sollwertvorgaben für den Meßsystemantrieb, ist ebenfalls möglich.Claim 4 requests control of the one or more of claim 3 ten measuring system drives such that it is ensured that the measuring system or its individual components within their measuring ranges and specifications be operated. This can be done by evaluating the measuring system Signals occur in such a way that when predetermined measuring range limits are reached tracking with the aid of the measuring system drive or drives. An interference of these drives by signals from the manipulator control to Example in the form of setpoint specifications for the measuring system drive is also possible.
Die vorab beschriebene Ausrichtvorrichtung wird somit Bestandteil der Meßkette, so daß deren genaue Ausrichtung für die Endeffektor- Positionsbestimmung bekannt sein muß. Um hierbei möglichst keine bzw. kleine zusätzliche Fehler zu erhalten, sind der oder die Meßsystemantriebe gemaß Anspruch 5 mit einem direkt mit dem entsprechenden Meßsysteman trieb gekoppelten Lagesensor (z. B. Drehgeber bei rotatorischem Antrieb) zu versehen. Weitem Fehler, zum Beispiel durch Getriebe, werden dadurch ver mieden.The alignment device described above thus becomes a component the measuring chain so that its precise alignment for the end effector Position determination must be known. In order to avoid any or To receive small additional errors are the measuring system drives according to claim 5 with a directly with the corresponding measuring system driven coupled position sensor (e.g. encoder with rotary drive) Mistake. Any further errors, for example caused by gears, are thereby avoided avoided.
Der Anspruch 6 führt weiter in die Spezialisierung für den Meßsysteman trieb ein, indem ein Antrieb mit rotatorischem Freiheitsgrad verwendet wird.Claim 6 leads further into the specialization for the measuring system powered by using a rotary degree of freedom drive.
In Anspruch 7 ist weiterhin eine besondere Anordnung des Meßsysteman triebs für gegenüber dem Gelenkantrieb des Manipulators beschrieben. Die parallel Anordnung beider Antriebsachsen führt dazu, daß die Bewegung des Meßsystems und die Bewegung des von dem betreffenden Gelenk bewegten Gliedes in parallel zueinander stehenden Ebenen verläuft. Die Verwendung der Meßergebnisse zur Ansteuerung der Gelenkantriebe des Manipulators ver einfacht sich deshalb, da die Umrechnungen weniger aufwendig sind.In claim 7 is also a special arrangement of the measuring system described drive for the articulated drive of the manipulator. The parallel arrangement of both drive axes leads to the movement of the Measuring system and the movement of those moved by the joint in question Link runs in parallel planes. The usage the measurement results for controlling the articulated drives of the manipulator ver is easy because the conversions are less expensive.
Dieses Vereinfachung wird mit Anspruch 8 noch derart erweitert, daß die Achsen vom Gelenkantrieb des Manipulators und Meßsystemantrieb sich auf einer Geraden befinden. Die Sollbewegungen beider Antriebe müssen so mit nominell gleich sein und der Aufwand zur Verwendung der Meßergebnisse vereinfacht sich nochmals.This simplification is extended with claim 8 in such a way that the axes of the articulated drive of the manipulator and measuring system drive itself are on a straight line. The target movements of both drives must be so with be nominally the same and the effort to use the measurement results simplified again.
Der angeführte Meßsystemantrieb für die Ausrichtung des Meßsystems wird gemäß Anspruch 9 als elektrischer Antrieb ausgeführt um eine minde stens ebenso große Verstellbeschleunigung wie die des primär zu vermessen den Manipulatorgelenkes zu realisieren. Andere Antriebe, wie zum Beispiel hydraulische oder pneumatische, sind vergleichsweise langsam und schlechter steuerbar.The listed measuring system drive for the alignment of the measuring system is carried out according to claim 9 as an electric drive by a minimum The adjustment acceleration must be as great as that of the primary to realize the manipulator joint. Other drives, such as hydraulic or pneumatic, are comparatively slow and worse controllable.
Die Ansteuerbarkeit wird durch Anspruch 10 nochmals vereinfacht indem ein Schrittmotor eingesetzt wird. Ein Schrittmotor benötigt für die zur Po sitionierung erforderliche Ansteuerung keine Rückführung der Lage, sondern läßt sich mit einer offenen Steuerkette direkt auf die gemäß seiner Bauweise vorgegebenen Winkelpositionen einstellen. Höherauflösende Positionierungen sind unter Zuhilfenahme von Mikroschrittansteuerungen möglich. Die in bei den Fällen vorhandenen Restfehler in der angefahrenen Position sind für die Genauigkeit der Meßanordnung unbedeutend, da die tatsächliche Position mit dem direkt gekoppelten Lagesensor nach Anspruch 5 ermittelt wird.The controllability is further simplified by claim 10 a stepper motor is used. A stepper motor is needed for the back sitioning required control no feedback of the position, but can be opened with an open timing chain directly according to its design Set the predetermined angular positions. Higher resolution positioning are possible with the help of microstep controls. The in at the remaining errors in the approached position are for the Accuracy of the measuring arrangement is insignificant because the actual position with the directly coupled position sensor is determined according to claim 5.
Anspruch 11 zeigt die erforderlichen Meßmöglichkeiten der einzusetzen den Meßsysteme auf. Damit das System überhaupt funktioniert ist zumindest eine Messung für den Freiheitsgrad erforderlich, welcher dem Manipulatorge lenk entspricht, dessen Wirkung ermittelt werden soll. In Abhängigkeit vom Umfang des einzelnen Meßsystems kann eine Position in bis zu allen 6 Frei heitsgraden des dreidimensionalen Raumes bestimmt werden. Hierdurch ist es möglich, nicht nur die (gewünschte) Bewegung mit dem Freiheitsgrad, der durch du Gelenk vorgegeben ist, zu vermessen, sondern auch die Bewegun gen bzw. Positionsänderungen, die (nicht gewünscht) durch die Eigenschaften des Manipulators in den Richtungen der anderen Freiheitsgrade (zusätzlich) entstehen. Es sind somit Kompromisse zwischen der Art und Anzahl der er mittelbaren Teiländerungen der Position bezogen auf die Freiheitsgrade und dem jeweiligen Meßsystemaufwand möglich.Claim 11 shows the necessary measurement options to use the measuring systems. So that the system works at least a measurement for the degree of freedom required by the manipulator steering corresponds, the effect of which is to be determined. Depending on The scope of the individual measuring system can be one position in up to all 6 free degrees of three-dimensional space can be determined. This is it is possible not only the (desired) movement with the degree of freedom that is predetermined by the joint, but also the movement or changes in position caused by the properties (not desired) of the manipulator in the directions of the other degrees of freedom (additional) arise. So there are tradeoffs between the type and number of it indirect partial changes in position related to degrees of freedom and the respective measuring system effort possible.
Mit Anspruch 12 wird eine besonders vorteilhafte Realisierungsmöglich keit für die Meßsysteme angegeben. Der Einsatz von Licht ermöglicht genaue Messungen die durch ihrer berührungslose Funktionsweise verschleißfrei arbei ten und frei von störenden Einflüssen, wie zum Beispiel Reibung, sind.Claim 12 makes a particularly advantageous implementation possible speed specified for the measuring systems. The use of light enables accurate Measurements that work wear-free due to their non-contact functionality and are free from disruptive influences such as friction.
Die gezielte Verwendung der ermittelten Positionsänderungen bezogen auf den Freiheitsgrad des dessen Wirkung zu messenden Gelenkes kann gemäß Anspruch 13 zur Steuerung des entsprechenden Gelenkantriebes verwendet werden. Somit ist eine geschlossene Regelung zur Kompensation von Positio nierfehlern des Manipulators bzw. einzelner Manipulatorglieder zueinander grundsätzlich möglich. Ermittelte Änderungen, die nicht dem Freiheitsgrad des entsprechenden Gelenkes zuzuordnen sind, können in Abhängigkeit der betreffenden Freiheitsgrade auch zur Ansteuerung von Gelenkantrieben ande rer Gelenke des Manipulators verwendet werden.The targeted use of the determined position changes related according to the degree of freedom of the joint to be measured Claim 13 used to control the corresponding joint drive become. This is a closed regulation for the compensation of position kidney errors of the manipulator or individual manipulator members to each other at least possible. Identified changes that are not the degree of freedom of the corresponding joint can be assigned, depending on the relevant degrees of freedom also for controlling articulated drives and others rer joints of the manipulator are used.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestell ten Ausführungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated below with reference to the drawings ten explanations explained in more detail. It shows
Fig. 1 die Darstellung des Manipulators als kinematische Kette und die Struktur des verketteten Meßsysteme; Fig. 1 is an illustration of the manipulator as a kinematic chain and the structure of the concatenated measuring systems;
Fig. 2 die Verbindung von Manipulator- und Meßsystemstruktur; FIG. 2 shows the connection of the manipulator and Meßsystemstruktur;
Fig. 3 Ausführung für ein Manipulatorglied mit rotatorischem Antrieb; Fig. 3 embodiment for a manipulator member with a rotary drive;
Fig. 4 Steuerung eines Meßsystemantriebs. Fig. 4 control of a measuring system drive.
Die mit den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungen beziehen sich auf einen Manipulator mit Baumstruktur mit einer exemplarischen Anordnung be stehend aus einem fixierten Glied, vier weiteren Gliedern und vier Gelenken. Die Struktur des Manipulators ist als kinematische Kette in die Ebene gezeich net, ähnlich einer Ansicht. Die Begrenzung in diesen Zeichnungen auf vier Ge lenke sowie die Darstellung in der Ebene dienen der Übersichtlichkeit. Tatsäch lich gibt es keine Beschränkung bezüglich der Anzahl von Gliedern und Gelen ken sowie deren Freiheitsgrade und Anordnung im Raum. Der hier gewählte Manipulator ist mit einem Glied fest mit der Umgebung verbunden. Dies stellt den häufigsten Fall dar, da Manipulatoren in der Regel über einen der Befesti gung dienenden Sockel verfügen. Die Ausführung mit einem Gelenk als erstes Element der kinematische Kette ist ebenso möglich und entspricht zum Beispiel der Ausführung eines Manipulators, der auf einer Schiene fahrbar gelagert ist. In Fig. 1 werden für die Glieder die Bezeichnung l₀-l₄ gewählt und den Ge lenken die Bezeichnung j₁-j₄ zugeordnet. Neben der als kinematische Kette ausgeführten Manipulatordarstellung ist die Meßanordnung aufgezeigt, so daß sich die Ähnlichkeit mit der kinematischen Kette direkt erkennen läßt. Die mit m₀-m₄ bezeichneten einzelnen Meßsysteme bestehen aus zwei Teilen, dem ersten, m, am Anfang und dem zweiten, m, am Ende der durch das jewei lige Meßsystem, mi, gebildeten Meßstrecke. Zur fortlaufenden Numerierung von Gliedern und Gelenken dient hierbei die Indexzahl i. Durch die Zeichnung stellt sich die Meßanordnung als eine Art Kette von Meßsystemen dar. Die einzelnen Meßstrecken entsprechen dabei sinngemäß den Gliedern des als kine matische Kette dargestellten Manipulators. Tatsächlich handelt es sich dabei jedoch um physikalisch nicht vorhandene Glieder. Die bei diesem Vergleich als Gelenke erkennbaren Verbindungen zwischen Endkomponente eines Meß systems, m, und Anfangskomponente des folgenden Meßsystems, mi+1, sollten starr sein. Jedoch sind diese beweglich und mit einem eigenen Meß systemantrieb versehen, wenn es zur Gewährleistung der Meßsystemfunktion erforderlich ist. Dies ist überwiegend für Meßanordnungen bei Manipulatoren mit Drehgelenken erforderlich, wie auch in Fig. 3 ausgeführt. Wichtig bei dem durchgeführten Vergleich ist jedoch, daß die einzelnen Meßstrecken bezo gen auf die Abmessung, zum Beispiel Länge der Meßstrecke, den Gliedern des Manipulators weitestgehend entsprechen. Die Verbindung von einem Meßsy stem (Endkomponente) mit dem folgenden Meßsystem (Anfangskomponente) ist derart durchzuführen, daß die Orientierung der Meßsysteme zueinander der Orientierung der Manipulatorglieder zueinander entspricht. Bei vorhan denen Drehgelenken des Manipulators ist, wie schon aufgezeigt, mindestens ein Meßsystemantrieb erforderlich. Die Anfangskomponente des ersten Meßsy stems, m, ist ebenso wie das erste Glied des Manipulators, l₀, im Raum fest verankert sowie die Endkomponente des letzten Meßsystems, m, mit dem Endeffektor. Die somit bezogen auf die Struktur, Art der Anordnung und Ab messungen festgelegte Meßanordnung kann zumindest wie in Fig. 1 dargestellt nicht real existieren, da es sich bei der Meßanordnung, abgesehen von even tuell vorhandenen Meßsystemantrieben, um eine passive Anordnung handelt, das heißt, daß die einzelnen Verbindungspunkte der Meßanordnung geeignet bewegt werden müssen. Wenn die absolute Unabhängigkeit der Meßanordnung gewährt sein soll, würde eine hierfür geeignete mechanische Struktur mit eige nen Antrieben insgesamt eine Art Meßroboter entstehen lassen. Dies ist weder erwünscht, alleine schon wegen des Aufwandes, noch erforderlich. Bei geeig neten Verbindungen zwischen der Meßanordnung und dem Manipulator, wie zum Beispiel in Fig. 2 angegeben, ist keine weitere mechanische und physika lisch existierende Struktur zur Aufnahme der Meßanordnung erforderlich. Die Meßanordnung kann zusätzlich die Einzelbewegungen der Manipulatorglieder zueinander messen und bei entsprechender Berücksichtigung in der Konstrukti onsphase auch in den Manipulator integriert werden. Die in Fig. 2 gewählten Verbindungspunkte zwischen Meßanordnung und Manipulator sind derart, daß jeweils Messungen vom Ende eines Gliedes, li, bis zum Ende des folgenden Glie des, li+1, durchgeführt werden. Da sich am Ende der Glieder in der Regel die Gelenke befinden, entspricht dies einer Vermessung von Gelenk zu Gelenk.The versions shown with FIGS. 1 and 2 relate to a manipulator with a tree structure with an exemplary arrangement consisting of a fixed link, four further links and four joints. The structure of the manipulator is drawn as a kinematic chain in the plane, similar to a view. The limitation in these drawings to four joints and the representation in the plane serve for clarity. In fact, there is no limit to the number of limbs and joints and their degrees of freedom and arrangement in space. The manipulator selected here is permanently connected to the environment with one link. This is the most common case, since manipulators usually have a base that serves to secure them. The design with a joint as the first element of the kinematic chain is also possible and corresponds, for example, to the design of a manipulator that is mounted on a rail in a mobile manner. In Fig. 1, the designation l₀-l₄ are chosen for the limbs and the Ge direct the designation j₁-j₄ assigned. In addition to the manipulator display designed as a kinematic chain, the measuring arrangement is shown so that the similarity to the kinematic chain can be recognized directly. The designated with m₄-m₄ individual measuring systems consist of two parts, the first, m, at the beginning and the second, m, at the end of the measuring section formed by the respective measuring system, m i . The index number i is used for consecutive numbering of limbs and joints. The drawing shows the measuring arrangement as a kind of chain of measuring systems. The individual measuring sections correspond analogously to the links of the manipulator shown as a kinetic chain. In fact, however, these are physically non-existent links. The connections between the end component of a measuring system, m, and the starting component of the following measuring system, m i + 1 , which are recognizable as joints in this comparison, should be rigid. However, these are movable and provided with their own measuring system drive when it is necessary to ensure the measuring system function. This is mainly necessary for measuring arrangements in manipulators with swivel joints, as also shown in FIG. 3. It is important in the comparison carried out, however, that the individual measuring sections correspond largely to the dimensions, for example the length of the measuring section, of the links of the manipulator. The connection of a measuring system (end component) with the following measuring system (initial component) is to be carried out in such a way that the orientation of the measuring systems to one another corresponds to the orientation of the manipulator members to one another. In existing rotary joints of the manipulator, as already shown, at least one measuring system drive is required. The initial component of the first measuring system, m, is, like the first link of the manipulator, l₀, firmly anchored in space, and the end component of the last measuring system, m, with the end effector. The measuring arrangement thus determined with reference to the structure, type of arrangement and dimensions cannot at least exist in real terms, as shown in FIG. 1, since the measuring arrangement, apart from any measuring system drives which may be present, is a passive arrangement, that is to say that the individual connection points of the measuring arrangement have to be suitably moved. If the absolute independence of the measuring arrangement is to be guaranteed, a suitable mechanical structure with its own drives would create a kind of measuring robot. This is neither desirable, if only because of the effort, nor is it necessary. With appro priate connections between the measuring arrangement and the manipulator, as indicated for example in FIG. 2, no further mechanical and physically existing structure for receiving the measuring arrangement is required. The measuring arrangement can additionally measure the individual movements of the manipulator members relative to one another and, with appropriate consideration in the construction phase, can also be integrated into the manipulator. The connection points chosen in FIG. 2 between the measuring arrangement and the manipulator are such that measurements are carried out in each case from the end of a link, l i , to the end of the following link, l i + 1 . Since the joints are usually at the end of the limbs, this corresponds to a measurement from joint to joint.
Die Anordnung eines Meßsystems in Verbindung mit einer Gelenk-Glied- Kombination des Manipulators ist in Fig. 3 anhand eines Drehgelenkes für den Manipulator mit dem erforderlichen Meßsystemantrieb, m, für das Meßsy stem, mi, aufgezeigt. Der Aufbau mit dem Meßsystemantrieb stellt zwar einen bestimmten Fall dar, ist aber dennoch allgemeingültig, da sich bei feststehen dem Meßsystemantrieb eine Darstellung ergibt, die der ohne Meßsystemantrieb entspricht. Bezogen auf den Manipulator sind in dieser Abbildung das Gelenk, ji, mit Gelenkantrieb, j, und das damit bewegte Glied, li, dargestellt. Der Gelenkantrieb, j, ist mit dem vorgelagerten Glied, li-1, verbunden um ge genüber diesem ein Drehmoment über das Gelenk, ji, auf das Glied li wirken zu lassen. (Bei einer Ausführung mit Schubgelenk würde es sich sinngemäß um wirkende Kräfte handeln.) Mit dem Ende von Glied li kann dann das folgende Gelenk, ji+1, verbunden werden. Das für dieses Teilsystem des Manipulators er forderliche Meßsystem, mi, der Meßanordnung besteht aus den Anfangs- und Endkomponenten, m und m, des eigentlichen Meßsystems sowie dem Meß systemantrieb, m. Der Meßsystemantrieb wird dabei mit einem elektrischen Direktantrieb mit rotatorischem Freiheitsgrad realisiert. Dieser Meßsysteman trieb, m, ist derart angeordnet, daß sich dessen Drehachse auf einer Geraden mit der Drehachse des Gelenkantriebs, j, befindet. Bei diesem Ausführungs beispiel handelt es sich bei dem Direktantrieb um einen Schrittmotor dessen Auflösung durch eine optionale Mikroschrittgenerierung vergrößert werden kann sowie um einen direkt gekoppelten inkrementalen Drehgeber, dessen Auflösung durch einen Interpolator, ebenfalls optional, erhöht werden kann (Fig. 4). Der Meßsystemantrieb, m, ist außerdem mit dem vorgelagerten Glied, li-1, verbunden und ermöglicht eine Verdrehung der angetriebenen An fangskomponente des Meßsystems, m, um den Winkel Ψ gegenüber dem Ende von Glied li-1. Dies entspricht im Normalbetrieb des Manipulators zwar prinzipiell der Drehbewegung des Gelenkantriebes, j, muß aber, und dies ist elementar, durch einen eigenen Antrieb erfolgen, um Fehler des Gelenk antriebs, zum Beispiel durch Reaktionsmomente, mitmessen zu können. Die Endkomponente des Meßsystems, m, ist mit dem Ende von Glied li verbun den. Die zwischen Anfangs- und Endkomponente des Meßsystems bestehende Meßstrecke ermöglicht die Bestimmung der relativen Position von Endkompo nente m zur Anfangskomponente m und somit mit bekannter Einstellung des Meßsystemantriebs, m, entsprechend Winkel Ψ, zur Messung der rela tiven Position des Endes von Gelenk li gegenüber dem Ende von Gelenk li-1. Die bei Mehrkörpersystemen übliche Einführung von gliedbezogenen kartesi schen Koordinatensystemen, deren Ursprung hier mit O bezeichnet wird, führt somit zur TransformationsmatrixThe arrangement of a measuring system in connection with a joint-link combination of the manipulator is shown in Fig. 3 using a swivel joint for the manipulator with the required measuring system drive, m, for the measuring system, m i . The structure with the measuring system drive represents a specific case, but is nevertheless generally applicable, since when the measuring system drive is fixed, a representation is obtained which corresponds to that without the measuring system drive. In relation to the manipulator, the joint, j i , with joint drive, j, and the member moved therewith, l i , are shown in this figure. The articulated drive, j, is connected to the upstream link, l i-1 , in order to allow a torque via the articulation, j i , to act on the link l i . (In the case of a design with a thrust joint, it would be equivalent to acting forces.) The end of link l i can then be used to connect the following joint, j i + 1 . For this subsystem of the manipulator he required measuring system, m i , the measuring arrangement consists of the start and end components, m and m, the actual measuring system and the measuring system drive, m. The measuring system drive is realized with an electrical direct drive with a rotational degree of freedom. This measuring system drive, m, is arranged such that its axis of rotation is on a straight line with the axis of rotation of the articulated drive, j. In this embodiment example, the direct drive is a stepper motor, the resolution of which can be increased by an optional microstep generation, and a directly coupled incremental rotary encoder, the resolution of which can also be optionally increased by an interpolator ( FIG. 4). The measuring system drive, m, is also connected to the upstream link, l i-1 , and enables rotation of the driven initial component of the measuring system, m, by the angle Ψ with respect to the end of link l i-1 . In normal operation of the manipulator, this corresponds in principle to the rotary movement of the joint drive, but it must, and this is elementary, be done by a separate drive in order to be able to measure errors in the joint drive, for example by reaction moments. The end component of the measuring system, m, is connected to the end of member l i . The existing between the start and end components of the measuring system enables the determination of the relative position of Endkompo component m to the starting component m and thus with a known setting of the measuring system drive, m, corresponding angle Ψ, for measuring the rela tive position of the end of joint l i opposite the end of joint l i-1 . The usual introduction of link-related Cartesian coordinate systems, the origin of which is denoted by O here, leads to the transformation matrix
die dem Übergang von Koordinatensystem Oi-1 nach Koordinatensystem Oi entspricht und die Darstellung des Endes von Glied li in Koordinaten des Koordinatensystems Oi-1, welches am Ende von Glied li-1 eingeführt ist, ermöglicht. Die Koordinaten x, y und z entsprechen dabei der Verschie bung und die Winkel R, Φ und Ψ der Orientierungsänderung von Endkom ponente zu Anfangskomponente des Meßsystem, wobei es sich bei den Winkeln R, Φ und Ψ um eine Reihenfolge von Drehungen um die Achsen x*i-1, y*i-1 und z*i-1 handelt. Die Achsen x*i-1, y*i-1 und z*i-1 entstammen dabei dem fiktiven Koordinatensystem O*i-1, daß man durch die Verdrehung Ψ um die Achse zi-1 aus dem am Ende von Glied li-1 eingeführten Koordinaten system Oi-1 erhält. Mit Ψ ist, wie schon angegeben, der Drehwinkel des Meßsystemantriebs bezeichnet. Die Koordinatensysteme sind auf den Manipu lator bezogen. Bei einer Implementierung des Meßsystems in den Manipulator können die Meßsystemkoordinaten direkt mit denen des Manipulators zusam menfallen. In Fig. 3 ist eine Art externe Anbaulösung dargestellt, die einer möglichen Realisierung entspricht, hauptsächlich aber für eine leicht verständ liche Zeichnung gewählt wurde. Die Meßsystemkomponenten m und m sind dabei mit dem gleichen Vektor aus dem Manipulator heraus verschoben, so daß sich diese Wirkungen genau aufheben.which corresponds to the transition from coordinate system O i-1 to coordinate system O i and enables the representation of the end of member l i in coordinates of the coordinate system O i-1 , which is introduced at the end of member l i-1 . The coordinates x, y and z correspond to the displacement and the angles R, Φ and Ψ the change in orientation from the end component to the initial component of the measuring system, the angles R, Φ and Ψ being a sequence of rotations around the axes x * i-1 , y * i-1 and z * i-1 . The axes x * i-1 , y * i-1 and z * i-1 originate from the fictitious coordinate system O * i-1 , that by turning Ψ about the axis z i-1 from the end of element l i-1 introduced coordinate system O i-1 receives. As already indicated, Ψ denotes the angle of rotation of the measuring system drive. The coordinate systems are related to the manipulator. When the measuring system is implemented in the manipulator, the measuring system coordinates can coincide directly with those of the manipulator. In Fig. 3, a type of external mounting solution is shown, which corresponds to a possible implementation, but was mainly chosen for an easily understandable drawing. The measuring system components m and m are shifted out of the manipulator with the same vector, so that these effects cancel each other out exactly.
Zur Verdeutlichung der Ansteuerung des Meßsystemantriebs m sowie der Ermittlung der relativen Positionierung von Glied li zu Glied li-1 insge samt, ist in Fig. 4 die Anordnung der Komponenten mit Auswertung darge stellt. Die von den Meßsystemkomponenten m und m zur Verfügung ge stellten Signale werden in der Meßsystemauswertung zunächst so verarbei tet, daß dadurch Signale, Ψ, für die Motorsteuerung des Schrittmo tors bereitgestellt werden, um somit durch diesen Meßsystemantrieb, m, die Verdrehung des Meßsystems, mi, in dessen gültigen Meßbereich zu bewirken. Außerdem wird die für die Relativpositionierung erforderliche Transformati onsmatrix, T, ermittelt. Diese Transformationsmatrix T wird mit einer Transformationsmatrix T Ψ, die auf dem Winkel Ψ beruht und den die Drehgeberauswertung zur Verfügung stellt, in der Transformationsaus wertung derart verknüpft, daß eine Gesamttransformation, T i, ausgegeben werden kann.To clarify the activation of the measuring system drive m as well as the determination of the relative positioning of link l i to link l i-1 overall, the arrangement of the components with evaluation is shown in FIG. 4. The signals made available by the measuring system components m and m are initially processed in the measuring system evaluation so that signals, Ψ, are provided for the motor control of the stepper motor, so that the measuring system drive, m, the rotation of the measuring system, m i to effect in its valid measuring range. In addition, the transformation matrix, T , required for the relative positioning is determined. This transformation matrix T is combined with a transformation matrix T Ψ , which is based on the angle Ψ and which is provided by the encoder evaluation, in the transformation evaluation such that an overall transformation, T i , can be output.
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