CN110366477A - 具有用于多个节的单独的致动器和共同的反向致动器装置的机器人单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于技术设备的机器人单元(1)，机器人单元具有：基座(2)，机器人单元(1)可以通过基座布置在技术设备上；第一节(10)，第一节以可转动的方式支承在基座(2)上；以及第二节(11)，第二节以可转动的方式支承在基座(2)或者第一节(10)上，其中，第一节(10)和第二节(11)可以分别借助单独的致动器(5)关于一个自由度(50)在一个方向(53)上移动。现在，为了相对于完全致动减少驱动单元的数量，根据本发明设置为，第一节(10)和第二节(11)可以借助一个反向致动器装置(6)仅共同关于该自由度(52)与该方向(53)相反地移动。

Description

具有用于多个节的单独的致动器和共同的反向致动器装置的 机器人单元

技术领域

本发明涉及一种用于技术设备的机器人单元，其具有以可转动的方式支承的两个节，节可以分别借助单独的致动器关于一个自由度在一个方向上移动。此外，本发明涉及一种具有这种机器人单元的技术设备。

背景技术

由于尤其是用于生产的具有适应能力的多样化的技术设备，在处理工件时需要机器人单元的高的灵活性，因此现在广泛使用多次致动的机器人单元、尤其是机器人手。为了保证机器人单元的紧凑的结构形式，根据绳索牵引装置的类型的机器人单元的可移动元件的驱动装置是特别有利的。由于致动器不直接布置在可移动部分上，因此能够实现可移动部分的特别紧凑的结构形式，可移动部分尤其是被构造为节(Glied)。例如从US 2010/03123 63中已知一种膝关节假体，其具有两个驱动单元，两个驱动单元通过弹簧布置在膝关节上。

根据现有技术常见的是，对于一个节的每个自由度，使用两个驱动单元，尤其是致动器和反向致动器。致动器和反向致动器尤其是可以用来使节沿相反的方向移动的驱动单元。这也可以称为驱动单元的促动-对抗布置(Agonist-Antagonist-Anordnung)。

在具有多个可移动部分、尤其是多个节的机器人单元中，可能需要多个驱动单元，以使得所有节能够独立地在任意方向上移动。这也称为完全致动。例如，对于被构造为机器人手并且优选模仿人手的机器人单元，可能需要48个驱动单元，尤其是24个致动器和24个反向致动器，以能够实现所有节的所有自由度的完全致动。

为了减少所需要的驱动单元的数量，现有技术提供了通过无源元件、尤其是弹性元件、例如橡胶或者弹簧来代替反向致动器的可能性。在这种情况下，每个自由度仅需要一个驱动单元。与单个驱动单元相反的移动，可以通过存储在无源元件中的势能来进行。然而，在这种情况下，剩余的驱动单元、尤其是致动器必须被设计为具有更高的性能，因为在产生用于移动节的移动力的同时，剩余的驱动单元还必须克服无源元件的阻力。由此，在无源元件中失去了剩余的驱动单元的一部分驱动力。

一个替换的可能性是，将不同的节的自由度相互耦合。这也称为欠致动(Unteraktuierung)。在这种情况下，例如针对两个节一起设置致动器和反向致动器。然而，由于放弃了机器人单元移动时的自由度，机器人单元的灵活性明显降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，相对于完全致动，减少用于机器人单元的节的驱动单元的数量。

根据本发明，上述技术问题通过独立权利要求的主题来解决。根据本发明的机器人单元的具有适宜的扩展方案的有利的实施方式是从属权利要求的主题，并且也类似地适用于技术设备。

用于技术设备的机器人单元具有基座，机器人单元可以通过基座布置在技术设备上。此外，机器人单元包括以可转动的方式支承在基座上的第一节和以可转动的方式支承在基座或者第一节上的第二节。第一节和第二节可以分别借助单独的致动器关于一个自由度在一个方向上移动。尤其是，第一节可以借助单独的致动器中的第一致动器，关于基座在一个方向上转动。尤其是，第二节可以借助单独的致动器中的第二致动器，相对于基座和或第一节转动。

现在，为了相对于完全致动减少驱动单元的数量，根据本发明设置为，第一节和第二节能够借助唯一的反向致动器装置，仅共同关于该自由度与该方向相反地移动。例如，反向致动器装置包括刚好一个反向致动器。尤其是，由于单独的致动器，第一节和第二节可以关于该自由度彼此独立地在该方向上移动。由于唯一的反向致动器装置，第一节和第二节关于该自由度仅能够与该方向相反地共同移动。致动器以及反向致动器装置、尤其是反向致动器可以理解为用于节的驱动单元。致动器和/或反向致动器装置、尤其是反向致动器例如包括电气驱动装置、气动驱动装置或者液压驱动装置。电气驱动装置可以具有电动机，例如旋转电机或者线性电机。第一节的自由度和第二节的自由度可以不同，相应的致动器的相应的节可以关于其自由度可移动。

本发明的一个扩展方案设置为，致动器被构造为用于，使第一节和第二节按照相同的自由度分别在相同的方向上移动。换言之，相应的致动器可以被构造为用于，使第一节和第二节关于作为自由度的预先确定的空间方向转动，其中，针对第一节的空间方向尤其是对应于针对第二节的空间方向。优选相应的致动器被构造为用于，使第一节和第二节关于该空间方向沿相同的方向转动。反向致动器装置可以被构造为用于，使第一节和第二节按照该预先确定的空间方向，尤其是相对于致动器的方向在相反的方向上移动。通过本发明的该实施方式，第一节和第二节可以关于自由度在该方向上彼此独立地移动，由此使得能够关于该自由度的该方向实现机器人单元的高灵活性。与关于该自由度的该方向相反，在降低机器人单元的灵活性的情况下，可以减少反向致动器的数量。在此，第一节和第二节通过单独的致动器可以独立地移动的关于自由度的方向，尤其是被取向为，该方向对应于如下方向，在该方向上，相对于相反的方向，需要更大程度的灵活性。

本发明的一个扩展方案设置为，除了第一节和第二节之外，机器人单元还具有至少一个另外的节，并且所有节仅可以通过反向致动器装置共同移动。反向致动器装置可以包括一个或多个反向致动器。优选反向致动器装置所包括的反向致动器的数量小于致动器的数量。致动器的数量尤其是可以对应于节的数量。反向致动器装置所包括的反向致动器的数量尤其是小于节的数量。

本发明的一个扩展方案设置为，致动器被构造为用于，使节移动，使得第一节与基座之间以及第二节与第一节或者基座之间的弯曲角减小。优选相应的弯曲角位于节或者机器人单元的同一侧。优选相应的弯曲角位于与基座平行地延伸的平面的同一侧。优选第一节与基座之间以及第二节与第一节或者基座之间的弯曲角的减小，是闭合动作、优选握持动作。尤其是，通过减小弯曲角，可以通过机器人单元握持物体。相应的弯曲角减小的第一节和第二节的移动可以是如下移动，该移动与弯曲角增大的第一节和第二节的移动相比，需要更大程度的灵活性。因此，特别有利的是，在减小弯曲角时，第一节和第二节可以通过单独的致动器独立地移动。

一个扩展方案设置为，每个节具有相应的致动器，其中，对于每个自由度，相应地仅存在一个唯一的反向致动器装置，用于相应地共同移动所有节。反向致动器装置可以包括一个或多个反向致动器。优选反向致动器装置所包括的反向致动器的数量小于节的数量。

一个扩展方案设置为，机器人单元被构造为机器人手，其中，机器人单元包括多个手指，手指布置在基座上，其中，每个手指包括多个节，其中的第一节和第二节形成不同的手指的类似的手指部分。形成类似的手指部分的节尤其是通过相同数量的另外的节布置在基座上。在一个实施方式中，第一节和第二节直接以可转动的方式支承在基座上。在本发明的另一个实施方式中，第一节和第二节通过相应的另一个节布置在基座上。例如，第一节和第二节代表不同的手指的类似的手指部分。优选机器人单元具有多个、优选四个类似的手指。附加地，机器人单元可以具有另一个手指、尤其是第五手指，该手指与其余手指不同。在被构造为机器人手的机器人单元中，可以特别有利的是，节借助唯一的反向致动器装置关于自由度与该方向相反地移动。因此，尤其是，相对于现有技术，能够省去多个反向致动器。因为多个手指优选具有类似的可移动性，例如关于相同的空间方向可转动，因此由于相对于现有技术放弃驱动单元而产生的机器人单元的灵活性的损失可以减小。

一个扩展方案设置为，形成不同的手指的相应的类似的手指部分的所有节，通过反向致动器装置仅能够共同移动，并且通过各自的致动器能够单独移动。换言之，形成不同的手指的类似的手指部分的节，关于该方向上的自由度，通过单独的致动器，可以彼此独立地移动。关于相反的方向上的自由度，形成不同的手指的相应的类似的手指部分的节，通过反向致动器装置，尤其是仅能够共同移动。优选节关于如下方向上的自由度，通过相应的致动器能够单独移动，在该方向上，手指的节之间相对于彼此和/或相对于基座的弯曲角减小。尤其是，手指或者手指的节，通过相应的致动器，能够彼此独立地以能够成角度的方式或者以成角度的姿态移动。这在英语中也称为“Flection(挠曲)”。多个手指或者其节，通过反向致动器装置，能够以能够展开的方式或者以展开的姿势移动。这在英语中也称为“Extension(伸展)”。优选机器人单元被构造为，在机器人单元进行握持时，和/或在机器人手闭合时，通过相应的致动器，手指或者其节可以彼此独立地移动。尤其是，在机器人手打开时，通过反向致动器装置，手指或者其节仅能够共同移动。

一个扩展方案设置为，反向致动器装置具有两个耦合的反向致动器的布置。例如，耦合的反向致动器通过连接件、例如杆来连接。例如，通过反向致动器装置能够移动的多个节，布置在连接件的不同的固定点处。以这种方式，尽管单个反向致动器装置用于共同移动手指，但是仍然可以使手指至少部分不同地移动。以这种方式，由于唯一的反向致动器装置而导致的灵活性的损失可以特别小。

一个扩展方案设置为，致动器和反向致动器装置通过相应的连接元件与第一节和第二节连接。尤其是，相应的致动器和/或反向致动器装置不直接布置在第一节和/或第二节上。相应的连接元件可以被构造为用于，将致动器和反向致动器装置的驱动力传输至第一节和第二节。尤其是，在每个节上布置两个连接元件，其中，连接元件中的第一连接元件与致动器连接，并且连接元件中的第二连接元件与反向致动器装置连接。通过节和驱动单元之间的空间分离，可以得到机器人单元和/或手指的特别紧凑的结构形式。

一个扩展方案设置为，根据绳索牵引装置的类型来构造相应的连接元件。例如，致动器和/或反向致动器装置的驱动力可以借助绳索传输至节。绳索可以围绕轴、例如围绕转向辊或者棱边容易地转向。绳索牵引装置能够实现特别简单并且节省空间的形式的力传输。绳索牵引装置的绳索仅能够通过牵引来传输驱动力。因此，使得仅能够在一个方向上传输致动器和/或反向致动器装置的驱动力。尤其是，由于该原因，每个节借助致动器和反向致动器装置相应地仅能够在一个方向上移动。

一个扩展方案设置为，每个连接元件具有弹性元件。尤其是，布置在反向致动器装置上的连接元件可以具有弹性元件。在这种情况下，当相应的致动器将第一节和第二节移动到不同的位置时，反向致动器装置的连接元件也可以保持张紧。

一个扩展方案设置为，致动器和反向致动器装置被构造为用于，尤其是仅借助通过相应的连接元件传输的驱动力，来移动节。节例如可以包括关节，节通过关节布置在另一个节上或者基座上。因此，可以将来自致动器或者反向致动器装置的驱动力在节上转换为移动。

一个扩展方案设置为，在节的可移动性和数量方面，机器人手模仿人手。例如，机器人手具有在相同的空间方向上取向的四个手指，手指分别由三个节构成。附加地，机器人手可以具有另一个手指，该手指按照另一个空间方向取向，并且例如包括两个节。手指或者各个节例如可以在90°至180°的角度范围内，相对于同一个手指的相邻的节移动。例如，每个手指的直接布置在基座上的节，可以在90°至180°的角度范围内相对于基座转动。在这种情况下，能够实现对机器人单元的特别直观的控制，因为机器人单元模拟人手的移动。例如，人手的各个手指通常不能完全独立地移动。

本发明的另一个方面涉及一种具有上面提到的类型的机器人单元的技术设备。机器人单元通过基座布置在技术设备的另一个部件上。例如，技术设备是用于制造产品的流水线或者制造装置的一部分。

具体实施方式

图1以示意性的正视图示出了机器人单元1。机器人单元1被构造为机器人手8，并且在此包括四个手指4，手指4以可转动的方式布置在基座2上。在此，每个手指4包括三个节(指节)3。在此，机器人单元1附加地包括第五手指9，第五手指9包括两个节3。机器人单元1或者机器人手8在节3的可移动性和数量方面模仿人手。尤其是，其余手指代表人手的其余手指。尤其是，第五手指9代表人手的大拇指。

每个节3以可转动的方式支承在基座2或者另一个节3上。尤其是，下部节15以可转动的方式支承在基座2上。在此，下部节15通过关节单元14支承在基座2上。尤其是，关节单元14是下部节15的一部分。第一节10可以以可转动的方式支承在基座2上。第二节11可以以可转动的方式支承在基座2上。另一个第二节12可以以可转动的方式支承在第一节10上。在此，上部节16以可转动的方式支承在节3中的一个上。尤其是，上部节16分别通过另外的关节单元13支承在下部节15中的一个或者上部节16中的另一个上。另一个第二节12可以以可转动的方式支承在第一节10上。

通过相应的致动器5和反向致动器(Gegenaktor)7，节3可以移动。反向致动器7中的一个或多个可以形成反向致动器装置6。为此，在此，通过连接件19、例如杆或者任意的结构部件，将反向致动器7中的两个连接在一起，以形成反向致动器装置6。替换地，反向致动器装置6可以包括刚好一个反向致动器7。例如，致动器5和反向致动器7实施为电气驱动装置、气动驱动装置、压电液压驱动装置或者液压驱动装置。电气驱动装置可以实施为电动机，例如实施为旋转电机或者线性电机。

尤其是，每个节3通过相应的连接元件22与相应的致动器5连接。附加地，每个节3通过连接元件22与反向致动器7中的一个或者反向致动器装置6连接。在图1中，为了清楚起见，仅针对下部节15或者下部节15的关节单元14示出了致动器5、反向致动器7以及连接元件22。相应地根据绳索牵引装置的类型来实施连接元件22。每个连接元件22或者各个连接元件22可以具有相应的弹性元件21。

通过单独的致动器5，每个下部节15可以关于第一自由度50在方向51上移动。在此，通过单独的致动器5，每个下部节15可以关于第二自由度52，尤其是与另外的下部节15无关地在方向53上移动。在此，每个下部节15与相应的两个致动器5连接，其中，两个致动器5中的每个使得能够关于相应的自由度50、52移动。在此，关于第二自由度52，借助单独的反向致动器7，每个下部节15可以与方向53相反地移动。关于第二自由度52，下部节15可以独立地在方向53上以及与方向53相反地移动。在此，关于自由度50，借助反向致动器装置6，下部节15仅可以共同与方向51相反地移动。因此，相对于机器人单元1的完全致动，反向致动器7的数量减少。

在此，通过反向致动器装置6，手指4可以按照第一自由度50与方向51相反地移动，使得机器人手8执行打开动作(“伸展”)。尤其是，对于打开动作，可以设置为增大两个相邻的节3之间、优选机器人手8的内侧的角度。尤其是，对于打开动作，可以设置为增大下部节15中的一个与基座2之间、优选机器人手8的内侧的角度。在此，在打开动作的情况下，通过反向致动器装置6，下部节15仅可以共同移动。由于在打开动作中，下部节15仅可以共同移动，因此相对于机器人单元1的完全致动，反向致动器7的数量减少。因此，机器人单元1是欠致动的(unteraktuiert)。由于反向致动器装置6包括两个反向致动器7，因此尽管是欠致动的，仍然使得下部节15能够执行不同的动作。尤其是，由于反向致动器装置6所包括的反向致动器7的同向和/或反向的可移动性，手指4可以执行不同的动作。

在此，通过致动器5，手指4可以按照第一自由度50在方向51上移动，使得机器人手8执行握持动作(“挠曲”)。尤其是，对于握持动作，可以设置为减小两个相邻的节3之间、优选机器人手8的内侧的角度。尤其是，对于握持动作，可以设置为减小下部节15中的一个与基座2之间、优选机器人手8的内侧的角度。在此，在握持动作的情况下，通过单独的致动器5，下部节15分别可以独立地单独移动。因此，尽管是欠致动的，在执行握持动作时，仍然保证机器人单元1的高灵活性。

通过相应的弹性元件21，可以使连接元件22总是保持张紧状态。尤其是，当下部节15中的一个移动时，也保证连接元件22张紧。在没有连接元件22的情况下，在这种情况下可能出现应力损失，这使得反向致动器装置6不能自由地跟随致动器5的移动。

由于单个反向致动器装置6，根据手指4中的一个按照第一自由度50与方向51相反的移动，也可以总是跟随相邻的手指4按照第一自由度50的移动。例如，根据第一节10的移动，可以跟随所有手指4的移动。由于反向致动器装置6包括两个反向致动器7，因此从第一节10开始，其它手指4的移动可以随着距离变大而不断变小。

关于手指4的数量和可移动性，机器人手8模仿人手。人手的相邻的手指不能完全彼此独立地移动。因此，尽管是欠致动的，但是机器人手8的可移动性优选仅稍微与人手的可移动性不同。

节3中的、通过共同的反向致动器装置6而可移动的节3，可以理解为一个组，尤其是协同作用的一个组。可以在节3中任意形成这种组。优选对于自由度50、52中的每一个，一个组的节3具有一个相应的反向致动器装置6。替换地，对于自由度50、52中的多个，一个组的节3仅具有一个共同的反向致动器装置6。尤其是，可以针对节3中的、具有类似的可移动性的节3形成这种组。例如，在极端情况下，可以针对所有节3，设置刚好一个反向致动器装置6。例如，相应地形成手指4的类似的手指部分的节3可以形成一个组。例如，下部节15形成手指4的相应的一个类似的手指部分。

在握持动作中，为了移动节3，可能需要比在打开动作中更大的力。尤其是，因此，尽管与致动器5的数量相比，反向致动器7的数量更少，仍然不需要反向致动器7的性能与致动器5相比更高。

Claims (14)

1.一种用于技术设备的机器人单元(1)，所述机器人单元具有

-基座(2)，通过所述基座，所述机器人单元(1)能够布置在所述技术设备上，

-第一节(10)，所述第一节以能转动的方式支承在所述基座(2)上，以及

-第二节(11)，所述第二节以能转动的方式支承在所述基座(2)或者所述第一节(10)上，其中，

-所述第一节(10)和所述第二节(11)分别借助单独的致动器(5)，能够关于一个自由度(50)在一个方向(53)上移动，

其特征在于，

-所述第一节(10)和所述第二节(11)借助唯一一个反向致动器装置(6)，仅能够共同关于自由度(52)与所述方向(53)相反地移动。

2.根据权利要求1所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述致动器(5)被构造为用于，使所述第一节(10)和所述第二节(11)按照相同的自由度(50)分别在相同的方向(51)上移动。

3.根据权利要求1或2所述的机器人单元(1)，其特征在于，除了所述第一节(10)和所述第二节(11)之外，所述机器人单元还具有至少一个另外的节(3)，并且所有节(3)仅能够通过所述反向致动器装置(6)共同移动。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述致动器(5)被构造为用于，使所述节(3)移动，使得所述第一节(10)与所述基座(2)之间以及所述第二节(11)与所述第一节(10)或者所述基座(2)之间的弯曲角减小。

5.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，每个节(3)具有相应的致动器(5)，其中，对于每个自由度(50、52)，相应地仅存在一个反向致动器装置(6)，用于相应地共同移动所有节(3)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，所述机器人单元(1)被构造为机器人手(8)，其中，所述机器人单元(1)包括多个手指(4)，所述手指布置在所述基座(2)上，其中，每个手指(4)包括多个节(3)，其中的第一节(10)和第二节(11)形成不同的手指(4)的类似的手指部分。

7.根据权利要求6所述的机器人单元(1)，其特征在于，相应地形成不同的手指(4)的类似的手指部分的所有节(3)，仅能够通过反向致动器装置(6)共同移动，并且能够通过相应的致动器(5)单独移动。

8.根据权利要求7所述的机器人单元(1)，其特征在于，反向致动器装置(6)具有两个耦合的反向致动器(7)的布置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，致动器(5)和反向致动器装置(6)通过相应的连接元件(22)，与第一节(10)和第二节(11)连接。

10.根据权利要求9所述的机器人单元(1)，其特征在于，根据绳索牵引装置的类型来构造相应的连接元件(22)。

11.根据权利要求9或10所述的机器人单元(1)，其特征在于，每个连接元件(22)具有弹性元件(21)。

12.根据权利要求10或11所述的机器人单元(1)，其特征在于，致动器(5)和反向致动器装置(6)被构造为用于，尤其是仅借助通过相应的连接元件(22)传输的驱动力，来移动所述节(3)。

13.根据权利要求6至12中任一项所述的机器人单元(1)，其特征在于，在所述节(3)的可移动性和数量方面，所述机器人手(8)模仿人手。

14.一种技术设备，具有根据前述权利要求中任一项所述的机器人单元(1)，其中，所述机器人单元(1)通过基座(2)布置在所述技术设备的另一个部件上。