-
Die
Erfindung betrifft eine antagonistische Schwenkvorrichtung, die
insbesondere zum Bewegen von Roboterhänden geeignet ist.
-
Antagonistische
Schwenkvorrichtungen weisen beispielsweise Antriebseinrichtungen,
wie Elektromotoren, auf, die jeweils über ein Drahtseil o.dgl. mit
einem um eine Schwenkachse schwenkbaren Gelenkelement verbunden
sind. Über
die als Seil ausgebildeten Kraftübertragungseinrichtungen
werden ausschließlich
Zugkräfte übertragen.
Je nach Drehrichtung der Antriebseinrichtung wirkt diese als Agonist
(Spieler) oder Antagonist (Gegenspieler). Durch Ausüben einer
Zugkraft auf eine der beiden Kraftübertragungseinrichtungen erfolgt
somit ein Schwenken des Gelenkelements um die Schwenkachse. Zur
Erzeugung von Kräften
oder Momenten in dem Gelenkelement kann jeweils nur das Drehmoment
eines der beiden Antriebseinrichtungen genutzt werden, da der Antagonist
ausschließlich
zur Aufrechterhaltung der Vorspannung des Systems und Einstellung
der Steifigkeit dient. Zur Übertragung
von großen
Kräften
oder Momenten ist somit das Vorsehen entsprechend großer Antriebseinrichtungen
erforderlich. Dies ist insbesondere beim Einsatz von antagonistischen
Schwenkvorrichtungen zum Bewegen einzelner Elemente, wie Fingerelementen
von Roboterhänden,
nachteilig.
-
Antagonistische
Schwenkvorrichtungen werden häufig
bei Roboterhänden
eingesetzt. Dies hat den Vorteil, dass durch das Vorsehen von Seilzügen die
Antriebseinrichtungen in einem Abstand zu den zu schwenkenden Lenkelementen
angeordnet werden können.
Dies ist insbesondere bei Roboterhänden aufgrund des geringen
vorhandenen Bauraums vorteilhaft. Roboterhände weisen häufig entsprechend
einer menschlichen Hand mehrere Finger mit mindestens zwei, häufig drei,
Fingerelementen, bzw. Fingergliedern, auf. Ebenfalls in Nachempfindung der
menschlichen Hand sind die Finger mit einem Handtellerelement verbunden.
Zur Bewegung der Finger, bzw. der Fingerelemente, sind zwischen
den einzelnen Elementen Gelenke vorgesehen. Zum Betätigen der
Elemente sind entweder Teile des Gelenks oder das Fingerelement
mit einer Antriebseinrichtung verbunden. Die Antriebseinrichtungen
selbst sind zumeist außerhalb
der Roboterhand angeordnet, da die Roboterhand selbst zu filigran
ist um hier auch Antriebseinrichtungen vorzusehen. Die Verbindung
zwischen der Antriebseinrichtung und den einzelnen Fingerelementen
bzw. Gelenken erfolgt z. B. über
Stangenhebel und/oder Bowdenzüge.
Die Antriebseinrichtungen können
im Unterarm, in einer externen Antriebsbox oder auch im Bereich
des Handtellerelements angeordnet sein.
-
Um
mit einer Roboterhand exakt greifen zu können und möglichst exakte Handhabungen
durchführen
zu können,
weisen die einzelnen Elemente der Roboterhand eine möglichst
hohe Steifigkeit auf. Dies hat allerdings den Nachteil, dass bei
gewollten oder ungewollten Kollisionen hohe Impulse auf die einzelnen
Elemente wirken und in die Antriebseinrichtung übertragen werden. Dies kann
zur Beschädigung
der Antriebseinrichtung, der Fingerelemente, etc. führen. Dies
ist insbesondere bei Roboterhänden nachteilig,
da die einzelnen Bauteile der Roboterhände sehr fragil sind und auf
Grund des beschränkten Raums
nicht stabil oder massiv ausgebildet werden können.
-
Um
durch Kollisionen hervorgerufene Beschädigungen zu vermeiden, ist
ein aktives Ausweichen bzw. eine entsprechende Antriebsregelung
bei Kollisionen bekannt. Dies ist zwar prinzipiell möglich, weist
jedoch neben einem beträchtlichen
Steuerungsaufwand den Nachteil auf, dass das Auftreten einer Kollision,
sowie deren Richtung und eventuell Stärke, bekannt sein muss. Die
entsprechenden Daten müssen über Sensoren
eingelesen und verarbeitet werden. Ein unmittelbares Reagieren bei
einer unvorhergesehenen Kollision ist auf Grund der Trägheit des
Systems, insbesondere des Antriebs, und auf Grund der Totzeiten
zwischen dem Feststellen einer Kollision, der Datenaufnahme mittels
Sensoren und dem Berechnen einer Reaktion, nicht möglich. Auch bei
leistungsfähigen
Robotern liegen derartige Totzeiten im Bereich von 2 bis 10 ms.
Ferner weisen aktive Kollisionssysteme den Nachteil auf, dass bei ausgeschaltetem
System keine Reaktion erfolgen kann.
-
Ein
Reduzieren der Steifigkeit der Gelenke und Glieder der Roboterhand
ist insbesondere für
die Bewerkstelligung komplexer Greif- und Manipulationsaufgaben
nicht möglich,
da hierbei eine ausreichende Positionsgenauigkeit nicht mehr erreicht
werden kann.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine antagonistische Schwenkvorrichtung, die
insbesondere zum Bewegen von Elementen von Roboterhänden geeignet
ist, zu schaffen, mit der große
Drehmomente übertragen
werden können.
-
Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs
1.
-
Die
erfindungsgemäße antagonistische Schwenkvorrichtung
weist ein um eine Schwenkachse schwenkbares Gelenkelement auf. Das
Gelenkelement ist über
zwei Kraftübertragungseinrichtungen mit
zwei Antriebseinrichtungen verbunden. Über die Kraftübertragungseinrichtungen
können
Kräfte und/oder
Momente von den Antriebseinrichtungen auf das Gelenkelement übertragen
werden. Hierbei wirkt jeweils eine der beiden Antriebseinrichtungen, je
nach Antriebs- bzw. Drehrichtung, als Agonist oder Antagonist. Erfindungsgemäß sind die Übertragungseinrichtungen
derart ausgebildet, dass beide Antriebseinrichtungen gleichzeitig
als Agonist wirken können.
Dies hat zur Folge, dass gleichzeitig von beiden Kraftübertragungseinrichtungen
ein Drehmoment auf das Gelenkelement übertragen werden kann. Die
Drehmomente der beiden Antriebseinrichtungen können somit addiert werden.
Hierdurch ist das maximal auf das Gelenkelement übertragbare Drehmoment verdoppelt.
Hierbei ist sodann die Vorspannung im Antriebsstrang 0. Es ist somit
möglich, mit
Hilfe von zwei relativ kleinen Antriebseinrichtungen bei einer antagonistischen
Schwenkvorrichtung hohe Drehmomente zu erzeugen. Hierdurch ist ein wesentlicher
Nachteil antagonistischer Antriebe, nämlich die Notwendigkeit sehr
hoher Antriebsmomente, eliminiert. Verglichen mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform
sind bei herkömmlichen
antagonistischen Antrieben die Antriebsmomente üblicherweise um einen Faktor
2 höher.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Schwenkvorrichtung können
im geregelten Betrieb vom Antagonisten Antriebsmomente aufgebracht
werden, wenn dies erforderlich bzw. zweckmäßig ist. Dies ist dadurch möglich, dass
erfindungsgemäß in beide
Richtungen Antriebsmomente übertragen
werden können.
-
Erfindungsgemäß ist in
beide Kraftübertragungseinrichtungen
eine Steifigkeits-Einstelleinrichtung
integriert. Bei der Steifigkeits-Einstelleinrichtung handelt es
sich um ein beispielsweise elastisches Element, eine Feder o.dgl.,
mit nicht-linearer
Kennlinie.
-
Erfindungsgemäß ist somit
eine antagonistische Schwenkvorrichtung geschaffen, bei der aufgrund
des Vorsehens von Steifigkeits-Einstelleinrichtungen
mit nicht-linearer Kennlinie eine passive Nachgiebigkeit realisiert
ist und gleichzeitig hohe Drehmomente auf das Gelenkelement bei
kleinen Antriebseinrichtungen übertragen
werden können.
-
Vorzugsweise
sind beide Antriebseinrichtungen derart ausgebildet, dass in beide
auf die Schwenkachse des Gelenkelements bezogenen Drehelementrichtungen
die beiden Antriebseinrichtungen als Agonisten genutzt werden können, so dass
in beiden Drehmomentrichtungen hohe Drehmomente aufgebracht werden
können.
Insbesondere sind die beiden Antriebseinrichtungen sowie die beiden
Kraftübertragungseinrichtungen
im Wesentlichen identisch ausgebildet.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform weist
jede Kraftübertragungseinrichtung
zwei Kraftübertragungselemente
auf. Hierbei ist vorzugsweise jedes Kraftübertragungselement zur Übertragung von
Zugkräften
geeignet, wobei die Zugkräfte
in unterschiedliche Richtungen übertragbar
sind, so dass je nach Drehrichtung der Antriebseinrichtung eine der
beiden Zugkräfte
auf eines der beiden Kraftübertragungselemente
wirkt und somit ein Drehmoment in die eine oder die andere Richtung
um die Schwenkachse an dem Gelenkelement erzeugt. Als Kraftübertragungselemente
können
beispielsweise Seile o.Ä.
vorgesehen sein. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass eine Kraftübertragung
auf einfache Weise realisierbar ist und ferner die Antriebseinrichtung in
einem großen
Abstand zum Gelenk angeordnet sein kann. Dies ist insbesondere bei
der Verwendung der erfindungsgemäßen antagonistischen
Schwenkvorrichtung für
Roboterhände
vorteilhaft.
-
Vorzugsweise
ist in jedes Kraftübertragungselement
eine Steifigkeits-Einstelleinrichtung
integriert. Unabhängig
von der Drehmomentrichtung ist somit ein passives Ausweichen gewährleistet.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen antagonistischen Schwenkvorrichtung
sind Kraftübertragungseinrichtungen
vorgesehen, die zur Übertragung
eines Drehmoments drehbar sind. Mit Hilfe derartiger Kraftübertragungseinrichtungen
werden somit Tangentialkräfte beim
Drehen der Kraftübertragungseinrichtung
erzeugt. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Drehachse
der Kraftübertragungseinrichtung hierbei
parallel, insbesondere koaxial zu der Schwenkachse des Gelenkelements
angeordnet. Eine derartige antagonistische Schwenkvorrichtung baut verhältnismäßig klein,
wobei es möglich
ist, die Antriebseinrichtungen über
die Kraftübertragungseinrichtungen
in unmittelbar Nähe
zu den Gelenkelementen anzuordnen. Dies kann beispielsweise bei Robotergelenken,
wie dem Ellenbogengelenk o.dgl., zweckmäßig sein, da hier mehr Raum
als bei Roboterhänden
vorhanden ist.
-
Die
Kraftübertragungseinrichtungen
sind hierbei beispielsweise zylindrisch oder scheibenförmig ausgebildet.
Insbesondere wirken zur Drehmomentübertragung und zur Steifigkeits-Einstellung Tangentialkräfte auf
entsprechende Steifigkeits-Einstelleinrichtungen. Als Steifigkeits-Einstelleinrichtung kann
hierbei zwischen zwei scheibenförmigen
Kraftübertragungselementen
der Kraftübertragungseinrichtung
eine elastomere Scheibe vorgesehen sein. Vorzugsweise sind zwei
einander gegenüberliegende
Scheiben als Kraftübertragungselemente
vorgesehen, die insbesondere mehrere ineinander greifende Rippen
aufweisen. Zwischen einem Teil oder allen der Rippen können einzelne
Steifigkeits-Einstelleinrichtungen
vorgesehen sein. Hierbei handelt es sich in bevorzugter Ausführungsform
um elastische Kugeln, Quader o.dgl. mit nicht-linearer Kennlinie.
Die Steifigkeits-Einstelleinrichtungen sind zwischen den Rippen
spielfrei angeordnet und in besonders bevorzugter Ausführungsform
vorgespannt.
-
Mit
Hilfe des Steifigkeits-Einstellelement ist es möglich, eine passive Steifigkeit
eines Gelenks einzustellen. Dies hat den Vorteil, dass die Steifigkeit des
Gelenks in Abhängigkeit
der Situation, in der sich die Roboterhand befindet, eingestellt
werden kann. Besteht beispielsweise auf Grund des Bewegens des Roboters
oder des Bewegens andere Elemente in der Nähe des Roboters die Gefahr
von Kollisionen, so kann die Steifigkeit, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Steifigkeits-Einstellelements,
sehr nachgiebig eingestellt werden, so dass die Gefahr von Beschädigungen
bei einem tatsächlichen
Auftreten einer Kollision deutlich verringert ist. Andererseits
ist es auf Grund des Vorsehens eines einstellbaren Steifigkeits-Einstellelements
möglich,
bei hochpräzisen Greif-
und Manipulationsaufgaben eine hohe Steifigkeit einzustellen, um
eine möglichst
große
Positionsgenauigkeit zu erzielen.
-
Da
mit Hilfe der vorzugsweise vorgesehenen Steifigkeits-Einstellelemente
eine passive Steifigkeit eines Gelenks eingestellt werden kann,
ist kein zusätzliches
aktives Regeln erforderlich. Eine Totzeit, in der eine Datenaufnahme
mit Hilfe von Sensoren und der anschließenden Verarbeitung erfolgt,
ist hierbei nicht gegeben. Der Finger der Roboterhand gibt somit
unmittelbar bei Auftreten einer Kollision nach. Die bereits während der
Totzeit auftretenden Beschädigungen
sind somit vermieden.
-
Neben
der Möglichkeit
mit Hilfe des Steifigkeits-Einstellelements unterschiedliche Steifigkeiten, je
nach Situation in der sich die Roboterhand befindet, einzustellen,
ist es auch möglich,
beispielsweise während
eines Greifvorgangs die Steifigkeit zu verändern.
-
Insbesondere
weist das Steifigkeits-Einstellelement vorzugsweise ein Federelement
auf. Bei dem Federelement kann es sich um eine nicht-lineare Spiralfeder,
eine Schraubenfeder oder einen Elastomerkörper, insbesondere einen Elastomerkegel oder
eine Elastomerkugel handeln. Selbstverständlich sind auch Kombinationen
derartiger Federelemente möglich.
Hierbei können
die einzelnen Federelemente zueinander parallel und/oder in Serie
angeordnet sein. Ein Variieren der Steifigkeit ist hierbei durch
einzelnes Zu- oder Abschalten von einzelnen Federelementen möglich. Bei
beispielsweise parallel geschalteten Federelementen kann das Zuschalten durch
Aktivieren von Verbindungselementen, d. h. durch Herstellen oder
Lösen einer
Verbindung, erfolgen.
-
Vorzugsweise
erfolgt das Einstellen des Steifigkeits-Elements durch ein Verformen,
insbesondere ein Verändern
der Länge
der Steifigkeits-Einstellelemente
in deren Längsrichtung,
d. h. durch Komprimieren oder Dehnen der Einstellelemente. Hierbei erfolgt
die Längenänderung vorzugsweise
in Kraftübertragungsrichtung.
Bei Einstellelementen aus Elastomer kann die Steifigkeit beispielsweise
auch durch das Element umgebende Ringe, Anlageflächen und dergleichen erfolgen.
Beispielsweise wird beim Komprimieren eines zylindrischen Steifigkeits-Einstellelement
aus einem elastomeren Material der Außenumfang vergrößert. Durch
Vorsehen eines den Zylinder umgebenden Rings aus einem Material
mit einer geringeren Elastizität,
kann die Steifigkeit eines derartigen Elements eingestellt werden.
-
Die
Steifigkeits-Einstellelemente sind derart ausgebildet, dass sie
eine nicht-lineare
Kennlinie aufweist. Die Kraft ändert
sich somit in Abhängigkeit
des Weges nicht linear. Ebenso ist es möglich, dass das Steifigkeits-Einstellelement mehrere
Federelemente aufweist, deren Kombination zu einer nicht-linearen Kennlinie
führt.
-
Besonders
geeignet ist die antagonistische Schwenkvorrichtung für Roboterhände. Derartige Roboterhände weisen
zum Greifen mehrere Finger auf, wobei jeder Finger aus mindestens
zwei Fingerelementen besteht. Die Finger sind mit einem Handtellerelement
verbunden. Zwischen den Fingerelementen sowie zwischen dem Handtellerelement
und den ersten Fingerelementen sind Gelenke angeordnet. Um ein Schwenken
einzelner Fingerelemente zu ermöglichen,
sind Gelenkelemente, bei denen es sich auch um Teile der Fingerelemente
handeln kann, mit den Antriebseinrichtungen verbunden. Hierbei erfolgt
die Verbindung, wie vorstehend beschrieben, über Kraftübertragungseinrichtungen, an
denen vorzugsweise Steifigkeits-Einstelleinrichtungen
integriert sind. Die Kraftübertragungseinrichtungen
sind, wie vorstehend beschrieben, erfindungsgemäß ausgestaltet bzw. vorteilhaft
weitergebildet.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf
die anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische perspektivische Ansicht einer antagonistischen Schwenkeinrichtung,
-
2 einen
Teil der in 1 dargestellten antagonistischen
Schwenkeinrichtung und
-
3 eine
schematische perspektivische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer
antagonistischen Schwenkeinrichtung im Längsschnitt.
-
Gemäß des ersten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung (1 und 2) ist ein
Gelenkelement 10 um eine Schwenkachse 12 schwenkbar.
Mit dem Gelenkelement 10 ist beispielsweise ein Verbindungselement 14 zur
Verbindung mit dem Element einer Roboterhand o.dgl. verbunden. Bei
dem Verbindungselement 14 kann es sich auch unmittelbar um
ein Fingerglied einer Roboterhand handeln. Das Gelenkelement 10 ist über eine
erste Kraftübertragungseinrichtung,
die zwei Kraftübertragungselemente 16, 18 aufweist,
mit einer Antriebseinrichtung 20 verbunden. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel ist
als Kraftübertragungseinrichtung
ein in sich geschlossener Seilzug vorgesehen, der das Gelenkelement 10 um
ca. 180° umschlingt,
sodann zu einer Antriebswelle 22 der Antriebseinrichtung 20 geführt ist und
sodann über
eine Umlenkung 24 wieder zum Gelenkelement 10 zurückgeführt ist.
Bei Verwendung eines Umschlingungsantriebs, der bevorzugt ist, ist
die Antriebswelle 22 mehrfach, insbesondere 5¼ mal umschlungen.
-
Innerhalb
der beiden Kraftübertragungselemente 16, 18 ist
jeweils eine Steifigkeits-Einstelleinrichtung 26 integriert.
Bei der Steifigkeits-Einstelleinrichtung 26 handelt
es sich insbesondere um einen elastischen Körper mit nicht-linearer Kennlinie.
-
Die
zweite Kraftübertragungseinrichtung
ist entsprechend der vorstehend beschriebenen ersten Kraftübertragungseinrichtung
aufgebaut und weist zwei Kraftübertragungselemente 28, 30 auf,
die als gemeinsamer Seilzug ausgebildet sind und mit einer Antriebseinrichtung 32 verbunden
sind. In die Kraftübertragungselemente 28, 30 ist
ebenfalls jeweils eine Steifigkeits-Einstelleinrichtung 26 integriert.
-
Bei
bekannten antagonistischen Schwenkvorrichtungen ist das Kraftübertragungselement 28 sowie
das Kraftübertragungselement 16 nicht
vorgesehen. Jeder Motor 20, 32 ist lediglich über einen Seilzug
mit dem Gelenkelement 10 verbunden. Hierbei dient je nach
Schwenkrichtung des Gelenkelements 10 ein Kraftübertragungselement
als Agonist und das andere als Antagonist.
-
Durch
das erfindungsgemäße Vorsehen
eines zweiten Kraftübertragungselements 28 bzw. 16 je
Kraftübertragungseinrichtung
ist es möglich,
auch beide Motoren gleichzeitig als Agonisten einzusetzen. Dies
ist unabhängig
von der Schwenkrichtung des Gelenkelements möglich. Hierdurch ist es möglich, auf
das Gelenkelement 10 ein höheres Drehmoment zu übertragen,
da sich die von den Motoren 20, 32 erzeugbaren
Drehmomente addieren.
-
Durch
Betätigen
der beiden Motoren 20, 32 in entgegengesetzte
Richtungen wirkt ein Motor als Agonist und der andere als Antagonist.
Gleichzeitig ist ein passives Ausweichen bei Auftreten von Kollision
o.dgl. durch das Vorsehen der Steifigkeits-Einstelleinrichtungen 26 gewährleistet.
Sofern die beiden Motoren 20, 32 sich in die gleiche
Drehrichtung drehen, wirken beide Motoren als Agonisten. Hierbei bleibt
die passive Nachgiebigkeit des Systems erhalten.
-
Bei
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
(3) erfolgt das Erzeugen von Drehmomenten an einem
Gelenkelement 10 nicht über
Seilzüge, sondern über rotatorisch
betätigte Übertragungseinrichtungen 34, 36, 38.
-
Hierzu
weisen die Kraftübertragungseinrichtungen
jeweils ein innenliegendes scheibenförmiges Element 34 auf.
Das scheibenförmige
Element 34 ist drehfest ggf. unter Zwischenschaltung eines
Getriebes mit dem Gelenkelement 10 verbunden. Eine außenliegende
zweite Scheibe 38 ist drehfest ggf. unter Zwischenschaltung
eines Getriebes mit der ersten Antriebseinrichtung 20 bzw.
der zweiten Antriebseinrichtung 32 verbunden. Die nicht
dargestellte zweite Antriebseinrichtung 32 ist in 3 auf
der rechten Seite angeordnet. Zwischen den beiden scheibenförmigen Elementen 34, 38 sind
im dargestellten Ausführungsbeispiel
als einzelne Kugeln ausgebildete Steifigkeits-Einstelleinrichtungen 40 vorgesehen.
Zur Definition der Lage der Steifigkeits-Einstelleinrichtungen 40 weisen
die beiden scheibenförmigen
Elemente 34, 38 ineinandergreifende, d. h. sich
in axialer Richtung zumindest teilweise überdeckende Rippen 36 auf.
Die kugelförmigen
Steifigkeits-Einstelleinrichtungen 40 sind
jeweils zwischen zwei Rippen 36 angeordnet, wobei eine
der Rippen mit der innenliegenden Scheibe 34 und die andere
mit der außenliegenden
Scheibe 38 verbunden ist. Die Steifigkeits-Einstelleinrichtungen
weisen ebenfalls eine nicht-lineare Charakteristik auf und sind
spielfrei zwischen den Rippen 36 angeordnet. Vorzugsweise
sind am Umfang verteilt mehrere Steifigkeits-Einstelleinrichtungen 40 zwischen
entsprechenden Rippen 36 angeordnet.
-
Die
beiden Motoren 20, 32 können auch bei dieser Ausführungsform
(3) in entgegengesetzte oder gleiche Richtung gedreht
werden. Beim Drehen in entgegengesetzter Richtung wirkt ein Motor
als Agonist und der andere als Antagonist, wobei durch das Vorsehen
der Steifigkeits-Einstelleinrichtungen 40 ein passives
Zurückfedern
bei Auftreten von Kollision o.dgl. realisiert und hierdurch ein
Beschädigen von
Bauteilen vermieden ist sowie die für die Anwendung notwendige
Steifigkeit eingestellt werden kann. Bei Drehen der beiden Motoren 20, 32 in
die gleiche Richtung dienen beide Motoren als Agonisten, so dass
ein höheres
Drehmoment auf das Gelenkelement 10 übertragen werden kann.