SE504846C2 - Styrutrustning med ett rörligt styrorgan - Google Patents

Description

504 846 ~ utrustningar, signaler etc för verkställande av “styrning", eller som förekommer i samband med "styrning".

Ett tredimensionellt föremäl kan ha upp till sex frihets- grader, tre translationer och tre vridningar. Föremälets "läge" - i den betydelse detta begrepp har i denna ansökan - definieras av de tre storheter som anger translationer i förhällande till det aktuella koordinatsystemets origo.

Föremälets "orientering" - i den betydelse detta begrepp har i denna ansökan - definieras av de tre storheter som anger föremälets vridningsvinklar i koordinatsystemet.

I praktiken har ett föremäl eller annat objekt ofta ett antal frihetsgrader som är mindre än sex. Exempelvis har en markör pä en datorpresentation vanligen tvà frihetsgrader. (eller irrelevant), och dess Pà samma sätt kan ett Dess orientering är konstant läge karakteriseras av tvä variabler. tredimensionellt föremäl ha sädana begränsningar att det har färre än sex frihetsgrader. Exempelvis har en pà en bordsskiva förflyttbar klots tre frihetsgrader - tva vari- abler anger dess läge pä bordsskivan och en variabel dess orientering (dvs dess vridningsvinkel runt en mot skivan vinkelrät axel). Som nedan skall visas möjliggör en typisk styrutrustning enligt uppfinningen styrning i sex frihets- grader, men en sädan utrustning kan med fördel användas även vid styrning av objekt med färre frihetsgrader än sex.

Med en "frihetsgrad" hos ett styrt objekt avses här inte endast det konventionella begreppet frihetsgrad hos ett mekaniskt föremäl eller system utan i allmänhet en av styr- utrustningen päverkbar variabel hos det styrda objektet. En frihetsgrad hos ett styrt objekt kan sàlunda utgöras av en säsom läge utefter en viss koordinat- flöde eller av nägon godtycklig annan päverkbar fysikalisk storhet, axel, vridningsvinkel, hastighet i en viss riktning, eller temperatur, storhet eller funktion. 3 504 846 Med "optiska signaler" avses i denna ansökan signaler som utgörs av, eller använder sig av av, optisk stralning saväl innanför som utanför det synliga vaglängdsbandet.

TEKNIKENS STANDPUNKT Kända styrorgan som möjliggör samtidig styrning i mer än en enda frihetsgrad är en styrspak (joystick) och en s k mus av det slag som används vid styrning av datorer. Dessa styrorgan har dock flera nackdelar.

Salunda tillater en mus samtidig styrning i endast tva fri- hetsgrader.

En styrspak har ocksa normalt endast tva frihetsgrader. En sädan spak kan dock utformas för styrning i tre eller even- tuellt ännu flera frihetsgrader. Vid en styrspak med fler än tva frihetsgrader är det emellertid svart eller omöjligt att fa god precision vid styrningen, och det blir vidare svart för operatören att samordna styrspakens rörelser med rörelserna hos det styrda objektet.

Om styrning krävs i ett större antal frihetsgrader än tva (eller eventuellt tre), vilket ofta är fallet, kan pa kant satt musen eller styrspaken kopplas om mellan styrning av olika uppsättningar av frihetsgrader. Exempelvis är det sälunda känt att vid programmering av en industrirobot använda en styrspak med tre frihetsgrader, där styrspakens funktion kan kopplas om sa att styrspaken antingen styr läget hos robothandens arbetspunkt (tre translationsvariab- ler) eller ocksa robothandens orientering (tre vridningsva- riabler). Detta gör dock styrningen komplicerad och lang- Sam .

Vidare har dessa kända styrorgan mekaniska begränsningar, vilka minskar deras flexibilitet och därmed deras generella användbarhet. En mus kräver sälunda för sin användning ett plant underlag, sasom en bordsskiva eller liknande, och en styrspak kräver nagon form av bas eller plattform för mon- 504 846 q tering och lagring av spaken och till vilken spakläget refereras. Detta gör att dessa styrorgan typiskt sett blir otympliga, och att de ofta kräver användning av operatörens bada händer. De blir därför olämpliga eller oanvändbara vid manga tillämpningar, t ex vid obekväma arbetsställningar och/eller i tränga utrymmen.

En ytterligare väsentlig nackdel hos dessa kända styrorgan är att det vid styrning i fler än tva frihetsgrader är svart eller omöjligt att i samtliga styrda frihetsgrader fa en naturlig överensstämmelse mellan styrorganets rörelse och det styrda objektets rörelse. Operatörens arbete blir därför i dessa fall komplicerat och langsamt.

Ett känt styrsystem som möjliggör styrning i sex frihets- grader är det s k Polhemus-systemet (Polhemus Inc., Col- chester, Vt., USA). Systemet använder sig av en treaxlig magnetdipolkälla och en treaxlig magnetfältsensor. Genom att sekventiellt variera det utsända magnetfältet astadkom- mes tre inbördes oberoende excitationsvektorer. De av sen- sorn avkända tre vektorerna innehaller tillräcklig informa- tion för bestämning av sensorns läge och orientering rela- tivt källan. Detta system har dock ett antal nackdelar. En nackdel är känsligheten för övriga magnetfält i lokalen, vilket t ex försvarar användning i en verkstadslokal, där ett antal varierande magnetfält frän motorer etc finns. En annan nackdel är att större metallföremal i närheten nega- tivt paverkar systemets noggrannhet, vilket innebär att systemet i praktiken blir oanvändbart vid t ex en tillverk- ningsline för bilkarosser. En ytterligare nackdel är att sensorn maste befinna sig relativt nära megnetfältskällan, vilket kraftigt begränsar arbetsomradet vid samtidigt krav pa hög noggrannhet. Dessa nackdelar gör att systemet bara är användbart i speciella miljöer.

BESKRIVNING AV UPPF INN INGEN Uppfinningen avser att astadkomma en styrutrustning av inledningsvis angivet slag, 504 846 vilken är generellt användbar i alla vanliga hem-, kontors- och industrimiljöer, vilken även i dessa miljöer möjliggör enkel samti- dig styrning i ett större antal frihetsgrader än tidigare kända styrorgan, vilken speciellt möjliggör en snabb och noggrann styrning av orienteringen hos ett objekt, vid vilken styrorganet har smä dimensioner och fullständig mekanisk frihet sä att endast en hand krävs för manövreringen och operatörens andra hand lämnas fri, och sä att styrorganet kan användas även i tränga och/eller svär- àtkomliga utrymmen, vid vilken styrorganet kan utformas sä att, t ex även beträffande alla sex frihetsgraderna hos ett tredimen- sionellt föremäl, en naturlig överensstämmelse erhälles mellan styrorganets rörelser och det styrda föremälets rörelser, varigenom operatörens arbete blir enklare och snabbare, och vilken har en noggrann absolutmätande funktion.

Vad som kännetecknar en styrutrustning enligt uppfinningen framgär av bifogade patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bifogade figurer l - ll. Figur l visar schematiskt ett exempel pä uppbyggnaden av en styrutrust- ning enligt uppfinningen. Figur 2a och figur 2b äskädliggör vissa av de vid beräkningarna använda koordinatsystemen och storheterna. Figur 3 visar schematiskt uppbyggnaden av de signalbehandlande kretsarna vid utrustningen enligt figur l. Figur 4a visar ett annat exempel pä en utrustning enligt uppfinningen, vilken använder sig av speciella ljuskällor som belyser reflekterande markörer, av en videokamera och av ett bildbehandlingssystem som bestämmer markörernas läge i kamerabilden. Figur 4b visar schematiskt uppbyggnaden av de signalbehandlande kretsarna vid utrustningen enligt figur 4a. Figur Sa visar ett ytterligare exempel pä en 50-4 846 utrustning enligt uppfinningen, där signalkällorna utgöres av befintliga detaljer i systemets omgivning, vilkas lägen bestäms med hjälp av en videokamera och ett bildbehand- lingssystem. Figur 5b visar schematiskt uppbyggnaden av de signalbehandlande kretsarna vid utrustningen enligt figur Sa. Figur 6 visar hur en utrustning enligt uppfinningen kan anslutas till en industrirobot för styrning av läget och/eller orienteringen hos robothanden. Figur 7 visar hur en utrustning enligt uppfinningen kan anslutas till en dator för styrning av en menypresentation. Figur 8 visar en alternativ utföringsform av en utrustning enligt uppfin- ningen, vilken innefattar en hjälm för astadkommande av styrsignaler genom huvudrörelser. Figur 9 visar hur utrust- ningen enligt figur 8 kan kompletteras med en pä hjälmen anordnad presentationsenhet. Figur 10 visar ett handburet styrorgan med en givare i var ände. Figur ll visar en styr- utrustning enligt uppfinningen med tvä handburna styrorgan.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur 1 visar ett exempel pä en styrutrustning enligt upp- finningen. Den har ett styrorgan l i form av ett löst hand- tag, sä utformat att det av en operatör bekvämt kan hällas i en hand. I sin ena ände har styrorganet l en givare 10 med en vidvinkellins ll och viss elektronik för utvärdering av den bild som linsen alstrar pä givarens bildyta. Givaren är en tvädimensionell givare av det slag som beskrivs i den svenska patentskriften 8404246-4 med publiceringsnummer 444 530. Ett flertal signalkällor i form av lysdioder M1, M2, M3 och M4 är anordnade pä avständ frän styrorganet och frän varandra samt sä att vid normal användning av styrorganet alltid minst tre av signalkällorna samtidigt befinner sig inom givarens synfält. Signalkällornas lägen relativt var- andra är kända, t ex genom inmätning av källornas lägen i ett för dem gemensamt koordinatsystem.

Styrorganet l har vidare ett antal tryckknappar Bl,B2, Bn. Dessa har företrädesvis sädana funktioner att all kom- munikation mellan a ena sidan operatören och ä andra sidan l5 7 504 846 styrutrustningen och det styrda objektet kan göras med hjälp av styrorganet 1. Ett exempel pä en sädan tryck- knappsfunktion är funktionen hos tryckknappen hos en dator- mus, dvs aktivering av tryckknappen orsakar inmatning till datorn av läge och/eller orientering hos styrorganet, av ett med hjälp av styrorganet utpekat läge hos en markör, eller verkställighet av ett pä en meny utpekat kommando ECC .

En annan i detta sammanhang önskvärd funktion är att akti- vering av en viss tryckknapp krävs för att en förflyttning av styrorganet skall orsaka en motsvarande förflyttning eller annan ändring hos det styrda objektet. Härigenom und- vikes att oavsiktlig ändring av läge eller orientering hos styrorganet orsakar oönskade styrätgärder.

Styrorganet l star i förbindelse med en styr- och beräk- ningsenhet CU via en kommunikationskanal CC. Denna kanal kan utgöras av en flexibel kabel eller - för att medge största möjliga rörelsefrihet ät operatören - av en trädlös länk, t ex en IR-länk. Via kanalen CC lämnas information till enheten CU dels frän givaren 10 om läget pä bilden av de olika signalkällornas avbildningar och dels frän styror- ganets olika tryckknappar Bl _... Bn.

Enheten CU lämnar sädana styrsignäler sl ....s4 till sig- nälkällorna M1... M4 att signalkällorna aktiveras perio- diskt och en i taget, vilket gör det möjligt för utrust- ningen att kontinuerligt hälla reda pà vilken signalkälla en viss mätning avser.

Enheten CU beräknar pä det sätt som närmare beskrivs i den ovan nämnda svenska patentskriften fortlöpande läge och orientering hos givaren 10, dvs hos styrorganet l. I kort- het görs beräkningen genom att tre signalkällor utväljes, riktningarna relativt givaren 10 hos syftlinjerna frän givaren till dessa signalkällor bestämmes, vinklarna mellan syftlinjerna beräknas, och till slut erhälles givarens (=styrorganets) läge och orientering genom utnyttjande av 504 846 dessa vinklar, av syftlinjernas riktningar, av signalkäl- lornas kända lägen och av geometriska samband mellan dessa storheter. Styrorganets läge erhälles i form av data som definierar en tredimensionell vektor 2 och dess orientering i form av en tredimensionell vektor A.

Fran enheten CU lämnas vidare signaler Cn som fortlöpande anger lägena hos de av styrorganets tryckknappar som kan päverka det styrda objektet (vissa av tryckknapparna kan vara avsedda enbart för päverkan av styrutrustningen).

Figur 2a visar schematiskt styrorganet l med givaren 10 och tre signalkällor M1-M3. Signalkällornas lägen relativt var- andra förutsätts kända, dvs vektorerna V12, V23 och V31 är kända. Alternativt kan signalkällornas relativa lägen vara kända indirekt genom att varje källas läge i ett koordinat- system xg, yo, 20 är känt. Givarens 10 läge i detta koordi- natsystem betecknas med 2. Riktningarna frän givaren till signalkällorna betecknas med vektorerna V1, V2, V3. Vink- larna mellan syftlinjerna frän givaren till signalkällorna betecknas med Tlz, T23, T3l.

Figur 2b visar schematiskt givarens bildyta PS med avbild- ningen Mib av signalkällan Mi. Avbildningens läge pä bild- ytan definieras av koordinaterna xib, yib.

Figur 3 visar hur den med hjälp av givaren 10 erhällna sig- nalen/signalerna/bildinformationen PI tillförs en utvärde- ringskrets EU, vilken med ledning av givarsignalerna bestämmer läget i bilden - xib, yib - för var och en av signalkällorna. Denna information tillförs en beräknings- enhet VCU, vilken fortlöpande beräknar de bäda vektorer 2 och 5 som definierar givarens/styrorganets läge och orien- tering. Dessa vektorer utgör i det beskrivna exemplet de av styrutrustningen avgivna styrsignalerna. Givarens uppbygg- nad och beräkningskretsarnas uppbyggnad och funktion finns närmare beskrivna i den ovan nämnda svenska patentskriften med publiceringsnummer 444 S30. g so4 846 I figur 3 visas vidare schematiskt hur làgena hos styrorga- nets tryckknappar Bl Bn definierar den information Cn som vidarebefordras till styrutrustningens övriga delar och/eller till det styrda objektet (se figur 1).

Vid användning av styrutrustningen fattar operatören styr- organet 1 i en hand och aktiverar det, t ex genom att halla en av tryckknapparna Bl - Bn intryckt. Genom att ge styr- organet en translationsrörelse kan operatören paverka de tre variabler som sammanfattas av vektorn 2, och genom att ge styrorganet en vridningsrörelse kan operatören pàverka de tre variabler som sammanfattas av vektorn A.

Figur 4a och figur 4b visar en alternativ utföringsform av en styrutrustning enligt uppfinningen, dar givaren 10 med tillhörande utrustning för bildutvardering utgörs av en utrustning (QS i figur 4b) som arbetar enligt samma princip som systemet MacReflex, som tillhandahálles av Qualisys AB, Ögardesvägen 2, 433 30 Partille, Sverige. Detta system beskrivs i dokumentation av systemet, t ex i MacReflex - Skarpsynt rörelseanalys MacReflex: Technical Specification, Qualisys AB 1993 The MacReflex System, a new tool for testing industrial robots Kinematic Measurement Products, Mac Reflex System Accessories, Qualisys AB 1994 Stefan Axelsson:"Photographic Surveillance of Industrial Robot Errors and Evaluation of two Camera Sys- tems", Chalmers University of Technology, Department of Production Engineering, Licenciate Thesis, Gothenburg 1992.

Figur 4a visar styrorganet l, vilket pà samma satt som vid den tidigare beskrivna utföringsformen bestàr av ett hand- tag med givare 10-11 och tryckknappar Bl - Bn. Givaren utgörs av en videokamera av CCD-typ med vidvinkellins ll.

Styrorganet ar via signalkanalen CC förbundet med beräk- ningsenheten CU, vilken fortlöpande beräknar styrorganets läge och orientering i form av vektorerna P och A vilka 504 846 1° tillsammans med informationen Cn frän styrorganets tryck- knappar Bl _ Bn utgör styrutrustningens utsignaler.

Signalkällorna utgörs i detta fall av reflekterande markö- rer M1 - M4 utförda av t ex reflekterande tape. Markörerna kan vara plana figurer eller - för att uppvisa samma form oberoende av betraktningsriktningen - utgöras av reflek- terande kulor. Markörerna har vid det i figur 4a visade systemet sinsemellan olika form för att göra det möjligt för signalbehandlingskretsarna att identifiera och hälla isär de olika markörerna (alternativt kan i samma syfte markörer med samma form men skilda storlekar användas). I anslutning till givarens lins ll är ett antal ljuskällor anordnade, av vilka källorna l2a och l2b är visade.

Ljuskällorna utsänder infrarött ljus, företrädesvis pulsat eller modulerat med viss frekvens för att kunna separera de aktuella signalerna frän störande ljuskällor. Det utsända ljuset reflekteras av markörerna, och den av givarens videokamera alstrade bilden innehäller avbildningar av markörerna. Videokameran är försedd med ett IR-filter för att ytterligare reducera inverkan av störande ljuskällor.

Bland annat genom att systemet arbetar med IR-ljus uppfat- tar kameran stor kontrast mellan markörerna och omgiv- ningen. Systemet kan därför arbeta med ett enkelt bildbe- handlingssystem som t ex avsöker bilden linje för linje och avkänner om videosignalen över- eller understiger en viss nivä. Alternativt kan dock givetvis ljus inom ett frekvens- band inom det synliga omradet användas.

De sàlunda erhällna konturerna - eller ur dem härledda karakteristika - jämförs med förinlagrade konturer eller karakteristika hos markörerna för identifiering av dessa.

Vid val av lämpliga karakteristika bör observeras att dessa bör vara avstandsoberoende. Till exempel kan en kvot mellan tva uppmätta karakteristiska dimensioner användas som iden- tifierände karakteristika. Läget hos avbildningen av en markör kan lämpligen definieras och bestämmas som läget hos konturlinjens eller den därav omslutna ytans tyngdpunkt. lO l5 ll - 504 846 Givarens videosignal VI (se figur 4b) tillförs en videopro- cessor VP. Denna analyserar bilden, identifierar markörerna och bestämmer för varje markör dess läge xib, yib i bilden.

Denna information lämnas till beräkningskretsen VCU, som pä ovan beskrivet sätt med ledning av denna information och med ledning av markörernas kända inbördes lägen fortlöpande beräknar den information - vektorerna 2 och A - som anger styrorganets läge och orientering och som därmed, tillsam- mans med informationen Cn frän tryckknapparna Bl... Bn, utgör de av styrutrustningen avgivna styrsignalerna.

Givetvis kan andra videokameratyper än CCD-kameror använ- das, t ex kameror som använder diodarrayer som ljuskännande element. Likasä kan alternativt vissa eller alla ljuskäl- lorna l2a, l2b etc monteras fristäende fràn givaren 10.

Vid de bäda ovan beskrivna utföringsformerna av uppfin- ningen utgörs signalkällorna av speciellt anordnade aktiva (figur 1-3) respektive passiva (figur 4a-4b) optiska givare. Även vid den senare utföringsformen kan givetvis aktiva givare (t ex lysdioder) användas som signalkällor i stället för de beskrivna passiva reflekterande markörerna.

Figur Sa visar en en alternativ utföringsform av uppfin- ningen. Vid denna utföringsform krävs inga speciellt anord- nade signalkällor, utan som signalkällor används lämpliga redan förefintliga detaljer P1 - P4 hos omgivningen eller hos ett arbetsobjekt, t ex en bilkaross. Givaren 10 vid styrorganet enligt uppfinningen utgörs dä av en med vidvin- kellins ll utrustad videokamera som anordnas att avbilda omgivningen, och ett konventionellt bildbehandlingssystem anordnas att analysera bilden, att identifiera de utvalda detaljerna och bestämma deras lägen i bilden. Med ledning av dessa sälunda bestämda lägen beräknas sedan fortlöpande givarens läge och orientering pä samma sätt som ovan beskrivits i anslutning till figurerna l-5.

Givaren 10 är pä tidigare beskrivet sätt anordnad i styror- 12 504 846 ganet l och kommunicerar med beräkningsenheten CU med hjälp av en kommunikationskanal CC. Beräkningsenheten lämnar pä samma sätt som vid de tidigare beskrivna utföringsformerna information om styrorganets läge och orientering, i form av signalerna 2 och A, samt informationen Cn frän styrorganets tryckknappar.

Som visas i figur 5b tillförs videosignalen VI frän givaren (videokameran) 10 ett bildbehandlingssystem (videoproces- sor) VP, vilket liksom den i figur 4b visade videoproces- sorn analyserar bilden, identifierar markörerna och bestäm- mer deras lägen xib och yib i bilden. Dessa lägen tillförs beräkningskretsen VCU, som pä motsvarande sätt som tidigare beskrivits beräknar den information - vektorerna 2 och A - som anger styrorganets läge och orentering.

Exempel pä lämpliga detaljer är hörn, häl och liknande, vilka är tydligt uppfattbara av ett videosystem och som har ett karakteristiskt utseende och ett väldefinierat och känt läge. Vid systemets start utpekas dessa detaljer och iden- tifieras pä lämpligt sätt, och deras lägen bestäms och inlagras, t ex genom nedladdning frän ett CAD-system. I det i figur 5a visade exemplet utgörs detaljerna P1-F4 av fyra hörn hos en öppning AP i ett arbetsobjekt, t ex en bilka- IOSS .

Det i anslutning till figur 5a-5b beskrivna systemet kräver inga speciella ljuskällor. De som signalkällor använda detaljerna kan vara belysta av lokalens ordinarie belys- ning, men givetvis kan vid behov särskilda ljuskällor anordnas för att ge belysningen önskad intensitet eller önskad karaktär. Liksom vid den i anslutning till figur 4a- 4b beskrivna utrustningen utgörs de frän signalkällorna utsända signalerna av det reflekterade ljus som mottas av givaren.

Självfallet kan dock även i detta fall ätminstone vissa av signalkällorna utgöras av speciellt anbringade markörer, lO l5 ” 504 846 t ex av pä mörk bakgrund placerade stycken, mönster eller figurer av ljus tape.

I den svenska patentskriften 8600872-9 med publiceringsnum- mer 458 427 beskrivs närmare hur läget och orienteringen hos en givare av denna typ kan beräknas, liksom uppbyggna- den och funktionen hos en utrustning för verkställande av denna beräkning.

Vid de ovan beskrivna styrutrustningarna enligt uppfin- ningen kan givetvis signalbehandlingskretsarna fördelas pä lämpligt sätt mellan det rörliga styrorganet och en fast elektronikenhet ("l" respektive CU i figur l). I vissa fall kan signalbehandlingskretsarna ges sä smä dimensioner att de i sin helhet kan inrymmas i själva styrorganet, varvid en fast elektronikenhet eventuellt kan undvaras helt eller ocksa endast inrymma sädana kretsar som krävs för kommuni- kation mellan styrorganet och omgivningen eller ett styrt objekt.

Vid de i anslutning till figurerna 1-5 ovan beskrivna utrustningarna har för enkelhets skull endast fyra signal- källor visats per utrustning. Som anges i de nämnda patent- skrifterna kan det vara lämpligt att ha ett större antal signalkällor, fördelade pä lämpligt sätt sä att det alltid, oberoende av styrorganets läge och orientering inom sitt arbetsområde, inom givarens synfält finns minst tre signal- källor med tillräckligt skilda riktningar, sett frän giva- ren, för att ge erforderlig mätnoggrannhet. Dä användningen av endast tre signalkällor kan ge upphov till tvetydigheter i vissa plan, kan det vara lämpligt att tillse att ätmins- tone i närheten av dessa plan minst fyra skilda signalkäl- lor finns inom givarens synfält och används vid mätningen.

Figur 6 visar en styrutrustning CRE enligt uppfinningen ansluten till och anordnad för styrning av en industriro- botutrustning RBE. Styrutrustningens beräkningsenhet CU avger pä ovan beskrivet sätt fortlöpande signalerna 2 och A som definierar styrorganets l läge och orientering. Robot- l0 504 846 H utrustningen bestàr av en styr- och drivenhet RBC som styr robotens rörelse. Själva roboten IRB har en robothand RBH med ett arbetsverktyg (visat som en gripklo). Styrsigna- lerna frän styrutrustningen CRE inkopplas till styrenheten RBC som börvärden för läget hos robothandens arbetspunkt (TCP) och för robothandens orientering. En förflyttning av styrorganet kommer pà detta sätt att orsaka en motsvarande ändring av styrsignalen 2, vilken i sin tur orsakar en mot- svarande förflyttning av läget hos robotens arbetspunkt (TCP). Pa samma sätt orsakar en ändring av styrorganets orientering en motsvarande ändring av styrsignalen A och därmed en motsvarande ändring av robothandens RBH oriente- ring.

Styrutrustningen innefattar lämpligen en transformations- enhet TU för koordinattransformation av styrsignalerna 2 och 3 frän det koordinatsystem, i vilket styrutrustningen arbetar, till styrsignaler P' och A' i det koordinatsystem i vilket roboten arbetar. Genom en sädan transformation kan en önskad korrespondens mellan styrorganets rörelse och robothandens rörelse ästadkommas, exempelvis sä att en rörelse av styrorganet i en viss riktning orsakar en rörelse i samma riktning av robothandens arbetspunkt, och sä att en vridning av styrorganet runt en viss axel orsakar en vridning av robothanden runt en med den nämnda axeln parallell axel.

I den ovan beskrivna tillämpningen orsakar en translations- rörelse hos styrorganet en motsvarande translationsrörelse hos robothanden, och en vridning av styrorganet en motsva- rande ändring av robothandens orientering. Denna koppling mellan styrorganets och det styrda objektet är oftast lämp- lig och naturlig vid styrning av bäde läge och orientering hos ett föremäl. I andra fall kan det vara lämpligt att utföra kopplingen pä annat sätt. Exempelvis kan, om det styrda objektets orientering är konstant eller irrelevant, en vridning av styrorganet höger-vänster respektive upp-ner bringas att orsaka en translation höger-vänster respektive upp-ner hos det styrda objektet. De önskade funktionerna 504 846 kan erhälles genom lämplig programmering av det styrda objektets egna styrorgan. Alternativt kan styrutrustningen enligt uppfinningen förses med kretsar för transformation pä önskat sätt av de mot styrorganets läge och orientering svarande signalerna (2, A) till lämpliga styrsignaler för det styrda objektet.

En givare HG (visad streckad i figur 6), lämpligen av samma slag som givaren 10 kan anordnas pä robothanden och använ- das i robotens styrsystem som ärvärdesgivare för robothan- dens läge och/eller orientering. Givaren HG kan därvid sam- ordnas med givaren 10, t ex pä sä sätt att de bäda givarna använder sig av helt eller delvis samma signalkällor och/eller styr- och beräkningsutrustning, varigenom en för- enkling av den totala utrustningen kan uppnäs.

I det fall dä systemets absolutmätningsmöjlighet används, och dä de bäda givarna (10 och HG) arbetar mot samma markö- rer, bör en valbar offset i läge och/eller orientering introduceras mellan styrorganet l och robothanden.

Figur 7 visar en styrutrustning enligt uppfinningen anord- nad för styrning av en dator PC med en menypresentation CDP. Styrorganet l är förbundet med styrutrustningens beräkningsenhet CU, vilken till datorn lämnar styrsigna- lerna 2 och A samt informationen Cn frän styrorganets tryckknappar Bl- Bn. Styrutrustningens signalkällor är for enkelhets skull inte visade i figur 7.

Styrutrustningens koordinatsystem X, Y, Z har i det visade exemplet axlarna X och Y parallella med presentationens plan och axeln Z vinkelrät mot detta plan.

Menypresentationen bestär pä känt sätt av ett antal menyer MEl, ME2, MEn. Menyerna är för äskädlighets skull visade i en rad bakom varandra. Den önskade menyn utväljes med hjälp av styrorganet l pä det sätt som nedan skall beskrivas. Varje meny innefattar ett flertal kommandon eller liknande. Genom att välja önskad meny, och genom att l5 16 504 846 pä denna med hjälp av en markör CS utpeka önskat kommando, kan detta kommando verkställas.

Styrorganet 1 är anordnat att styra menyvalet och markören.

Beroende pà hur datorn är programmerad att utnyttja styr- signalerna frän styrutrustningen kan detta göras pà olika sätt. Lämpligen kan en förflyttning av styrorganet i Z- riktningen bringas att orsaka en bläddring bland menyerna.

När den önskade menyn uppsökts förflyttas markören CS genom att styrorganet rörs i ett med presentationen parallellt (X-led) svarande rörelse ät markören, och en rörelse av styrorganet i höjdled plan. En rörelse av styrorganet i sidled ger mot- (Y-led) ger markören en rörelse i höjdled.

Alternativt kan kopplingen mellan styrorganet och presenta- tionen göras pä andra sätt. Exempelvis kan förflyttningen av markören i sidled göras genom en vridning av styrorganet runt Y-axeln och i höjdled genom en vridning av styrorganet runt X-axeln.

Det kan vara lämpligt att förse styrorganet med en eller flera tryckknappar med sädana funktioner att oavsiktliga rörelser av styrorganet inte i onödan orsakar ingrepp i datorpresentationen. Exempelvis kan styrorganet vara för- sett med en tryckknapp som tilläter bläddring bland meny- erna endast vid intryckt läge hos tryckknappen. När önskad meny uppsökts släpps alltsä denna tryckknapp, varvid oav- siktlig förflyttning till annan meny genom oavsiktlig för- flyttning av styrorganet i Z-led inte kan äga rum. En tryckknapp med motsvarande funktion kan anordnas för mar- körförflyttningen. Vidare kan lämpligen en tryckknapp med funktionen "ENTER" anordnas. När önskad meny utvalts och när markören placerats vid önskat kommando pä menyn aktive- ras denna tryckknapp och orsakar dä inmatning eller verk- ställande av kommandot.

I de bada ovan i anslutning till figurerna 6 och 7 beskrivna exemplen pä tillämpningar av en styrutrustning enligt uppfinningen har förutsätts att en viss förflyttning lO 17 y 504 846 av styrorganet bringas att orsaka en mot denna förflyttning direkt svarande, exempelvis proportionell, förflyttning av (eller tillstandsàndring hos) det styrda objektet. Kopp- lingen mellan styrorganets rörelse och rörelsen (eller i det generella fallet tillstandsàndringen) hos det styrda objektet kan dock utformas pà andra sätt. Exempelvis kan det i vissa fall vara lämpligt att ge kopplingen styrorgan- objekt en helt eller delvis integrerande funktion, dvs det styrda objektets lage (eller orientering eller tillstànd) ändrar sig med en hastighet som beror av avvikelsen fràn ett nolläge hos styrorganets läge eller orientering.

Eventuellt kan hastigheten hos förflyttningen eller vrid- ningen av styrorganet beräknas genom derivering av laget eller orienteringen och användas som styrsignal eller som en komponent i en styrsignal.

För att möjliggöra bade snabb förflyttning och noggrann fininstallning av ett styrt objekt kan det vara lämpligt att kunna variera "utväxlingen" mellan styrorganets rörelse och rörelsen eller tillstàndsandringen hos det styrda objektet. Enligt en utföringsform av uppfinningen ar därför en eller flera av styrorganets l tryckknappar anordnade att paverka förstarkningen i överföringen mellan styrorgan och styrobjekt. Exempelvis är tryckknappen Bl anordnad att vid intryckning sänka förstärkningen fran ett normalvàrde för möjliggörande av fininstallning. Dessutom kan om sa önskas t ex tryckknappen B2 anordnas att vid intryckning öka för- stàrkningen fran normalvärdet för möjliggörande av snabb förflyttning (eller önskad annan tillstándsàndring) hos det styrda objektet.

Figur 8 visar en alternativ utföringsform av en styrutrust- ning enligt uppfinningen. Styrorganet bestàr har av en hjälm H anordnad att placeras pa huvudet av en operatör. Pa lämplig plats pa hjälmen, t ex pa hjalmens framsida som visas i figuren, ar en givare 10 med vidvinkellinsen ll anordnad. Givaren ar anordnad att motta optiska signaler fràn aktiva eller passiva signalkallor M1 - M4 och kommuni- 504 846 18 cerar med en styrenhet CU via en kabel eller en tràdlös kanal CC. Signalkällorna, givaren och de i utrustningen ingäende signalbehandlingskretsarna är utförda pä det sätt som beskrivits ovan i anslutning till figurerna l-5. I det visade exemplet är utrustningen anordnad att avge en tvä- dimensionell styrsignal A, vars tvä variabler bestäms av huvudets/hjälmens vridning upp-ner respektive höger-väns- ter. Styrsignalen anordnas därvid lämpligen att päverka ett styrt objekt, t ex en markör pä en datorskärm, sä att huvu- dets nickande rörelse förflyttar objektet upp-ner och sä att huvudets vridning höger-vänster förflyttar markören höger-vänster.

Som tidigare beskrivits möjliggör utrustningen enligt upp- finningen en styrning i upp till sex frihetsgrader, och den i figur 8 visade anordningen kan utföras för styrning i fler frihetsgrader än tvä, varvid den av utrustningen gene- rerade styrsignalen anordnas att innehälla ytterligare kom- ponenter som beror av huvudets läge och/eller dess oriente- ring.

Utrustningen enligt figur 8 kan lämpligen kompletteras med ett handburet styrorgan av det slag som tidigare beskrivits i anslutning till figurerna l-5. Det huvudburna styrorganet och det handburna styrorganet kan därvid anordnas att styra var sitt objekt, eller ocksä skilda frihetsgrader hos samma styrda objekt. Tryckknappar pä det handburna organet kan därvid anordnas att päverka även den med hjälp av det huvudburna organet verkställda styrfunktionen. Alternativt kan det handburna organet sakna givardel och enbart inne- hälla tryckknappar.

Figur 9 visar en alternativ utföringsform av en styrutrust- ning enligt uppfinningen, vilken liksom utrustningen enligt figur 8 innefattar ett huvudburet styrorgan i form av en hjälm H med en pä denna anordnad givare lOa-lla, vilken kommunicerar med beräkningsenheten CU via kommunikationska- nalen CCa. Dessutom har utrustningen ett handburet styror- gan l av det i anslutning till figurerna 1-5 beskrivna sla- lg 504 846 get. Detta styrorgan har en givare lOb-llb och kommunicerar med enheten CU via kommunikationskanalen CCb. Pa hjälmen är i operatörens synfält en presentationsskärm HD, lämpligen av LCD-typ, anordnad. Skärmen drivs fran en pa hjälmen anordnad drivenhet DC, vilken kommunicerar med beräknings- enheten CU via en kommunikationskanal CCd (alternativt kan - för att reducera hjälmens vikt - drivenheten anordnas separat fran hjälmen).

Styrutrustningen enligt figur 9 förutsättes i det här beskrivna exemplet kommunicera med och styra en dator. Till datorn avges pa ovan beskrivet sätt styrsignaler ga, gb som beror av lägena hos de bada styrorganen samt styrsignaler ga och gb som beror av styrorganens orienteringar, och dels med hjälp av det handburna styrorganets tryckknappar gene- rerade kommandosignaler Cn. Fran datorn erhalles presenta- tionsinformation DI vars innehall presenteras pa skärmen HD, eventuellt stereoskopiskt, dvs med en separat skärm för varje öga.

Genom att röra hjälmen päverkas styrsignalerna i upp till sex frihetsgrader och med hjälp av det handburna styrorga- net kan en styrning i upp till sex ytterligare frihetsgra- der erhallas. En fördelaktig tillämpning av utrustningen är att lata hjälmens orientering i höjd- och sidled styra den information som presenteras pa skärmen HD. Denna styrning utföres lämpligen pa sädant sätt att en vridning av hjälmen ger samma ändring av skärmpresentationen som den ändring av operatörens naturliga bild av sin omgivning som en motsva- rande vridning skulle orsakat. Exempelvis kan salunda datorinformationen utgöra en bild av en artificiell omgiv- ning till operatören, t ex av ett landskap i en flygsimula- tor. Pa skärmen presenteras därvid den del av omgivningen som befinner sig framför operatören och i dennes synfält, och genom att vrida huvudet kan operatören pä ett naturligt sätt betrakta önskad del av den artificiella omgivningen.

Det handburna styrorganet l kan i denna tillämpning använ- das för att styra andra funktioner hos skärmpresentationen l5 504 846 eller för funktioner som är helt skilda frän skärmpresenta- tionen.

Alternativt kan datorinformationen som exempel utgöras av ett större antal dokument anordnade bredvid varandra i höjd- och sidled, varvid endast ett eller ett fätal doku- ment ät gängen kan presenteras pä skärmen HD. Genom att vrida huvudet kan operatören pä ett naturligt sätt "titta pä" och därmed utvälja önskade dokument. Det handburna styrorganet l kan i detta sammanhang lämpligen användas för styrning av en markör pä skärmen.

Motsvarande funktion kan t ex användas om operatören önskar detaljgranska en mindre del av en stor och komplicerad pre- sentation. Genom aktivering av ett manöverorgan, t ex en tryckknapp pä styrorganet 1, kan operatörens synfält begränsas sä att pä skärmen HD endast en mindre - och dä förstorad - del av presentationen visas. Genom att röra huvudet i höjd- och sidled kan dä operatören pä ett natur- ligt sätt "titta mot" och pä det sättet utvälja önskad del av den större presentationen för presentation pä skärmen HD.

Styrorganet är vid de i samband med figurerna 8 och 9 beskrivna utföringsformerna utformat som en hjälm för pla- cering pä huvudet hos en operatör. Självfallet behöver styrorganet inte vara utformat som en fullständig hjälm, utan det kan alternativt utgöras av nagon annan lämplig ställning för anbringande av en givare och eventuellt en presentationsskärm pä en operatörs huvud.

Som ovan nämnts krävs vid en utrustning enligt uppfinningen Ett sätt att ästadkomma detta är att mäta in signalkällornas att signalkällornas lägen relativt varandra är kända. lägen relativt varandra eller relativt en gemensam noll- punkt med nägon känd metod (t ex mättband, geodetiska meto- der) och att vid start av utrustningen tillföra utrustning- ens beräkningsenhet information om lägena. 21 504 846 Vid de ovan beskrivna utföringsformerna har signalkällorna separerats fràn varandra genom att de aktiverats periodiskt efter varandra eller genom att de har av ett bildbehand- lingssystem urskiljbara skilda former eller storlekar.

Eventuellt kan samtliga markörer (passiva signalkällor) vara identiskt lika, varvid vid uppstart av utrustningen markörerna av operatören identifieras i bilden och àsättes separata identiteter. Under drift av utrustningen kan denna därefter hälla reda pä de individuella markörerna och deras lägen, t ex genom att utnyttja det faktum att styrorganets fysiska läge och orientering endast kan ändra sig med begränsad hastighet.

Alternativt kan identifiering av ett flertal identiskt lika markörer göras genom en halvautomatisk procedur. Utrust- ningen programmeras att göra ett första antagande om markö- rernas identitet, varefter styrorganets läge beräknas med ledning av detta antagande.Operatören gör därefter en för- flyttning av styrorganet och det nya läget beräknas under samma antagande. Om antagandet är felaktigt kommer den beräknade lägesdifferensen att vara orealistisk och utrust- ningen gör ett nytt antagande och operatören en ny rörelse till dess att realistiska resultat visar att ratt antagande gjorts.

Det ovan beskrivna handburna styrorganet (t ex "1" i figur 1) kan förses med en givare i varje ände för att öka sanno- likheten för att - oberoende av styrorganets orientering - alltid minst tre signalkällor befinner sig inom givarnas synfält. Ett sädant styrorgan visas i figur lO och har i ena änden en givare lOa med linsen lla och i andra änden en givare lOb med linsen llb.

Pa motsvarande sätt och i samma syfte kan en hjälm enligt uppfinningen ("H" i figur 8) förses med flera givare med skilda orienteringar.

Ett styrsystem enligt uppfinningen kan användas för styr- ning av en CAD-presentation hos en dator. Styrorganet kan 22 504 846 därvid användas för att "ta tag i" och förflytta/vrida ett pà CAD-presentationen visat objekt pá samma sätt som ett verkligt objekt.

En utrustning enligt uppfinningen kan pä liknande sätt exempelvis användas för att styra en pä en CAD-presentation visad simulerad industrirobot eller annan mekanisk anord- ning.

En utrustning enligt uppfinningen kan förses med tvä hand- burna styrorgan, ett för varje hand hos operatören. Härvid erhàlles möjlighet till styrning i l2 frihetsgrader. En sädan utrustning visas schematiskt i figur ll. Den har tvä styrorgan la och lb med givarna 10a och lOb och kommunika- tionskanalerna CCa och CCb till beräkningsenheten CU (mar- körerna är för tydlighets skull inte visade i figuren).

Utrustningen lämnar styrsignaler som kan sammanfattas som fyra tredimensionella vektorer, ga, Bb respektive ga och Ab. En första uppsättning styrsignaler - vektorerna ßa och ga - päverkas av läge och orientering hos det ena styrorga- net la, och en andra uppsättning - vektorerna Eb och Ab - päverkas av det andra styrorganet lb.

En utrustning av i figur ll visat slag kan användas för samtidig och oberoende päverkan av läge och orientering hos tvà pà en CAD-presentation visade objekt. Exempelvis kan en sädan utrustning användas för att simulera hur en skruv och en mutter skruvas ihop.

Om en utrustning enligt uppfinningen med tvä handburna styrorgan används för styrning av en pä en CAD-presentation visad mekanisk utrustning, t ex en industrirobot, kan det ena styrorganet t ex användas för styrning av betraktnings- riktning och betraktningsavständ och det andra styrorganet användas för styrning av utrustningens rörelse, t ex för styrning av läge och orientering hos en robothand. Alterna- tivt kan denna funktion erhällas med hjälp av ett enda styrorgan, som är omkopplingsbart mellan de bada nämnda funktionerna. ” 504 846 Ovan har hand- och huvudburna styrorgan beskrivits. En utrustning enligt uppfinningen kan alternativt innefatta styrorgan som päverkas och/eller uppbärs av nagon annan del av operatörens kropp.

De ovan beskrivna styrda objekten är endast exempel, och en utrustning enligt uppfinningen kan användas för styrning av t ex godtyckliga processutrustningar, mekaniska eller elektriska utrustningar, eller av andra presentationssystem än de ovan beskrivna.

De ovan beskrivna exemplen pa utrustningar enligt uppfin- ningen använder sig för lägesbestämningen av optiska signa- ler frán aktiva eller passiva signalkällor. Alternativt kan andra typer av signaler användas, t ex signaler inom andra delar av det elektromagnetiska väglängdsomrädet än den optiska delen, såsom mikrovägor, eller akustiska signaler, säsom ultraljudsignaler.

Det i en styrutrustning enligt uppfinningen ingäende mät- systemet är absolutmätande och ger i varje ögonblick, utan behov av periodisk nollställning, kalibrering eller lik- nande, noggrann information om givarens absoluta läge i det koordinatsystem där signalkällorna är anordnade. Detta är en viktig fördel. Exempelvis kan sälunda ett handburet styrorgan av ovan beskrivet slag användas för off-line- programmering av en industrirobot. Styrorganet förs därvid längs den önskade robotbanan, och de frän styrutrustningen erhällna styrsignalerna innehäller dä information som nog- grannt definierar banan och, om sä önskas, även robothan- dens utefter banan varierande orientering (vektorerna 2 och A i ovanstäende beskrivning).

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 24 504 846 PATENTKRAV

1. Styrutrustning, vilken har ett rörligt styrorgan (1) anordnat att pâverkas av en operatör, och vilken är anordnad för avgivande av ett antal av styrorganets läge och/eller orientering beroende styrsignaler (2, A) för styrning av ett styrt objekt (RBE, PC), kännetecknad a\/ att styrorganet innefattar en givare (10) anordnad att mottaga signaler fràn en uppsättning av minst tre på skilda ställen anordnade signalkällor (M1-M4), vilka är anordnade att utsända signaler som fortplantar sig rätlinjigt mellan signalkällorna och givaren, samt av att utrustningen innefattar organ (EU) anordnade att bilda riktningsdefinierande signaler (xib, yib), vilka defi- nierar riktningen relativt givaren hos syftlinjerna fràn givaren till var och en av signalkällorna, samt beräknings- organ (CU) anordnade att med ledning av nämnda riktnings- definierande signaler alstra information (2, A) som definierar styrorganets läge och/eller orientering.

2. Styrutrustning enligt patentkravet 1 kär1ne1:ecl<- naci awr att beräkningsorganen (CU) är anordnade att be- stämma vinklarna (T12, T23, T31) mellan syftlinjerna från styrorganet till signalkällorna och att utgående fràn dessa vinklar alstra nämnda information (2) som definierar styr- organets läge.

3. Styrutrustning enligt nàgot av patentkraven 1 och 2 k ä n n e t e c k n a d a v att beräkningsorganen (CU) är anord- nade att under utnyttjande av nämnda riktningsdefinierande signaler (xib, yib) alstra information (A) som definierar styrorganets orientering.

4. Styrutrustning enligt nàgot av patentkraven l-3 k ä n n e t e c k n a d a v att signalkällorna (Ml-Mq) är anord- 10 15 20 25 30 35 25 504 846 nade att avge optiska signaler och att givaren (10) är anordnad att mottaga dessa signaler.

5. Styrutrustning enligt patentkravet 4 kär1ne1:ec)<- rïad awr att signalkällorna utgörs av aktiva ljusemitte- rande ljuskällor (M1-M4).

6. Styrutrustning enligt patentkravet 4 käxïnetzeclc- rxad awf att styrutrustningen innefattar en ljuskälla (l2a, l2b) och att signalkällorna utgörs av reflekterande organ (M1-M4) anordnade att reflektera ljus från nämnda ljuskälla.

7. Styrutrustning enligt patentkravet 4 kä11net:ec}<- r1ad av att styrutrustningen innefattar bildbehandlingsor- gan (VP) anordnade att bilda signaler (xib, yib) som motsva- rar signalkällornas (M1-M4; Fl-F4) läge i en i givaren (10) alstrad avbildning av omgivningen.

8. Styrutrustning enligt något av föregående patent- krav kännetecknad av att styrorganet (l) är anordnat att uppbäras och manövreras av en hand hos en operatör.

9. Styrutrustning enligt patentkravet 8 kär1ne1:ec:k- r1ad axl att styrorganet är utformat som ett handtag, i vars ena ände givaren (10) är anordnad.

10. Styrutrustning enligt något av patentkraven 8 och 9 k ä n n e t e c k n a d a v att styrorganet har en givare (lOa, lOb) i varje ände.

11. ll. Styrutrustning enligt något av patentkraven 8 - 10 k ä n n e t e c k n a d a v att styrutrustningen innefattar två handburna styrorgan (la, lb) anordnade att påverka var sin uppsättning styrsignaler (Ba, ga resp Eb, Ah).

12. Styrutrustning enligt något av föregående patent- krav kännetecknad av att styrorganet har ett antal manöverorgan (B1...Bn) för avgivande av kommandosignaler (Cn). 10 26 504 846

13. Styrutrustning enligt något av patentkraven 1-7, 12 k ä n n e t e c k n a d a v att styrorganet utgörs av en hjälm eller ställning (H) anordnad att uppbäras och manövreras av huvudet hos en operatör.

14. Styrutrustning enligt patentkravet l3l<änr1e- te<:kI1ad. awr att styrorganet innefattar en presentations- skärm (HD) anordnad i synfältet för en styrorganet uppbä- rande operatör.