DE102008058218A1 - Vorrichtung zur Kopplung eines Endeffektors mit einem Aktuator einer Maschine an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle - Google Patents

Vorrichtung zur Kopplung eines Endeffektors mit einem Aktuator einer Maschine an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle Download PDF

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Abstract

Die Vorrichtung (1) zur Kopplung eines Endeffektors (3) mit einem Aktuator (4) einer Maschine an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle ist versehen mit einer Kupplung mit einem ersten Kupplungsteil (5), das an dem Endeffektor (3) angeordnet und einem zweiten Kupplungsteil (7), das an dem Aktuator (4) angeordnet ist. Das erste und zweite Kupplungsteil (5, 7) kann im gekoppelten Zustand eine Kraft in mindestens eine Richtung und/oder ein Drehmoment in mindestens eine Richtung übertragen, wobei die Kraft und/oder das Drehmoment zumindest teilweise durch Formschluss übertragbar ist. Das erste Kupplungsteil (5) weist mindestens zwei erste Flächen (6) auf und das zweite Kupplungsteil (7) weist mindestens zwei zweite Flächen (8) auf, wobei die zweiten Flächen an die ersten Flächen angepasst sind. Im gekoppelten Zustand liegen die ersten Flächen (6) des ersten Kupplungsteils (5) an den zweiten Flächen (8) des zweiten Kupplungsteils (7) an, wobei das erste und/oder das zweite Kupplungsteil (5, 7) Befestigungsmittel (9) zum Erzeugen einer Haftkraft zwischen den ersten und zweiten Flächen (6, 8) aufweist, derart, dass die ersten und zweiten Fläcs der zu übertragenden Kraft und/oder des zu übertragenden Drehmoments zum Lösen der Kupplung voneinander lösbar sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lösbaren Kopplung eines Endeffektors mit einer Maschine an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle.
  • Haptische Mensch-Maschine-Schnittstellen finden beispielsweise Verwendung bei Telerobotiksystemen und interaktiven Simulationen in virtuellen Realitäten.
  • Telerobotiksysteme werden eingesetzt, um an Orten zu manipulieren, die für den Menschen nicht zugänglich oder gesundheitsgefährdend sind. Auch für nicht automatisierte Mikromontagen eignet sich ein solches System, da die Montagebewegungen des Operators in skalierter Form von Robotern ausgeführt werden können.
  • In virtuellen Realitäten lassen sich Einbausimulationen und Wartbarkeitsuntersuchungen, beispielsweise in der Flugzeug- oder Automobilbranche, durchführen, noch bevor ein Hardware-Prototyp zur Verfügung steht. Dies ermöglicht eine Verkürzung der Entwicklungszeit und die Einsparung von Kosten, die aufgrund von Spätfolgen aus Entwicklungsfehlern entstehen können.
  • Haptische Mensch-Maschine-Schnittstellen haben den Vorteil, dass eine Kraft-Drehmoment-Rückkopplung vorgesehen ist, so dass der Operator bei der Bedienung eines Systems kinästhetische Eindrücke erhält, wodurch der Operator neben den menschlichen Wahrnehmungssinnen wie Sehen und Hören auch seine haptische Wahrnehmung einsetzen kann.
  • Als Eingabegeräte für Telerobotiksysteme oder interaktive Simulationen in virtuellen Realitäten sind beispielsweise Roboter als Aktuatoren bekannt, die zur Bildung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle Endeffektoren (z. B. Joystickgriff), die mit der Hand gegriffen werden müssen, aufweisen. Diese Endeffektoren können über Schnellwechseladapter an dem Roboter befestigt werden.
  • Der Operator kann, indem er den Endeffektor mit der Hand greift und die entsprechende Bewegung mit der Hand ausführt, den Roboter bewegen und somit Bewegungen in die Maschine eingeben.
  • Gleichzeitig können die Roboter dem Operator eine Kraft-Drehmoment-Rückkopplung zur Verfügung stellen, indem der Roboter eine entsprechende Kraft bzw. ein entsprechendes Drehmoment auf den Endeffektor ausübt.
  • Dabei besteht der Nachteil, dass der Operator durch eine unerwartete Kraft-Drehmoment-Rückkopplung des Roboters verletzt werden kann, wenn beispielsweise das Gerät defekt ist oder ein unerwarteter Rückkopplungsbefehl der Maschine an den Roboter übergeben wird.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mensch-Maschine-Schnittstelle eines haptischen Eingabegerätes zur Verfügung zu stellen, bei der die Gefahr der Verletzung eines Operators durch eine unerwartete Bewegung des haptischen Eingabegerätes vermieden wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Vorrichtung zur Kopplung eines Endeffektors mit einem Aktuator einer Maschine an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle bereitgestellt wird, die eine Kupplung mit einem ersten Kupplungsteil, das an dem Endeffektor angeordnet ist und einem zweiten Kupplungsteil, das an dem Aktuator angeordnet ist, aufweist. Dabei kann das erste und das zweite Kupplungsteil im gekoppelten Zustand eine Kraft in mindestens eine Richtung und/oder ein Drehmoment in mindestens eine Richtung übertra gen, wobei die Kraft und/oder das Drehmoment zumindest teilweise durch Formschluss übertragbar ist. Das erste Kupplungsteil weist mindestens zwei erste Flächen und das zweite Kupplungsteil mindestens zwei zweite Flächen auf. Dabei sind die zweiten Flächen des zweiten Kupplungsteils an die ersten Flächen des ersten Kupplungsteils angepasst. Im gekoppelten Zustand liegen die ersten Flächen des ersten Kupplungsteils an den zweiten Flächen des zweiten Kupplungsteils an, wobei das erste und/oder das zweite Kupplungsteils Befestigungsmittel zum Erzeugen einer Haftkraft zwischen den ersten und den zweiten Flächen aufweist, derart, dass die ersten und zweiten Flächen beim Überschreiten eines Schwellenwertes der zu übertragenen Kraft und/oder des zu übertragenden Drehmoments zum Lösen der Kupplung voneinander lösbar sind.
  • Durch das Vorsehen einer Kupplung zwischen dem Endeffektor, an den die Hand des Operators angreifen kann oder der an der Hand des Operators befestigt wird und dem Aktuator, die beim Überschreiten eines Schwellenwertes der zu übertragenden Kraft und/oder des zu übertragenden Drehmoments lösbar ist, kann verhindert werden, dass bei einer unerwarteten oder fehlerhaften Bewegung des Aktuators eine derart große Kraft oder ein derart großes Drehmoment auf den Endeffektor übertragen wird, dass der Operator verletzt wird.
  • Durch das Vorsehen von zwei ersten Flächen des ersten Kupplungsteils, die im gekoppelten Zustand an den zwei zweiten Flächen des zweiten Kupplungsteils anliegen, ist eine zumindest teilweise formschlüssige Übertragung einer Kraft und/oder eines Drehmoments in zumindest eine Richtung möglich.
  • Durch das Vorsehen von Befestigungsmitteln zum Erzeugen einer Haftkraft zwischen den ersten und zweiten Flächen werden Kräfte und Drehmomente bis zu einem bestimmten Schwellenwert in alle Richtungen übertragen. Beim Überschreiten des Schwellenwertes der zu übertragenden Kraft und/oder des zu übertragenden Drehmoments ist die Haftkraft nicht mehr ausreichend, um die beiden ersten und zweiten Flächen in Anlage zu halten, so dass diese voneinander lösbar sind und somit ein Lösen der Kupplung erzeugt werden kann. Die Gefahr der Verletzung des Operators wird somit verringert.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die ersten Flächen des ersten Kupplungsteils und die zweiten Flächen des zweiten Kupplungsteils ebene Flächen sind, die in einem Winkel zueinander verlaufen. Durch das Vorsehen von ebenen Flächen, die in einem Winkel zueinander verlaufen, kann ein Drehmoment in zumindest eine Richtung in vorteilhafter Weise zumindest teilweise formschlüssig übertragen werden. Durch eine geschickte Anordnung der Flächen in Bezug auf eine Richtung des zu übertragenden Drehmoments kann beispielsweise eine teils formschlüssige, teils kraft- und reibschlüssige Übertragung des Drehmoments erfolgen, wobei der Kraftschluss durch die von dem Befestigungsmittel erzeugte Haftkraft erzeugt wird. Beim Überschreiten des Schwellenwertes des zu übertragenden Drehmoments ist dann die Haftkraft nicht mehr ausreichend, so dass sich die ersten und die zweiten Flächen voneinander lösen und somit auch der Formschluss gelöst wird.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Befestigungsmittel Magnete sind, die eine magnetische Haftkraft zwischen den ersten und zweiten Flächen erzeugen. Magnete haben den Vorteil, dass eine definierte Haftkraft mit Hilfe der Magnete erzeugbar ist.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass die Magnete Dauermagnete sind.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Magnete Elektromagneten sind, wobei vorzugsweise die durch die Elektromagnete erzeugte magnetische Haftkraft steuerbar ist. Da die Haftkraft den Schwellenwert der zu übertragenden Kraft und/oder des zu übertragenden Drehmoments bestimmt, bei dem die Kupplung gelöst wird, kann somit über die Elektromagnete ein unterschiedlicher Schwellenwert eingestellt werden. Dadurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise an den Einsatzzweck anpassbar.
  • In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erste Kupplungsteil pyramidenstumpfförmig ausgebildet, wobei die ersten Flächen die Seitenflächen des Pyramidenstumpfes bilden und wobei das zweite Kupplungsteil eine Vertiefung aufweist, die an die Pyramidenstumpfform des ersten Kupplungsteils angepasst ist. Dabei können die zweiten Flächen des zweiten Kupplungsteils Seitenwandungen der Vertiefung bilden und im gekoppelten Zustand liegt jede zweite Fläche jeweils an einer ersten Fläche des ersten Kupplungsteils an. Die Ausbildung des ersten Kupplungsteils als Pyramidenstumpf hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Dabei kann der Pyramidenstumpf eine dreieckige oder auch eine mehreckige Grundform besitzen, wobei die Anzahl der ersten Flächen entsprechend angepasst ist.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem der Pyramidenstumpf eine dreieckige Grundform besitzt, so dass das erste Kupplungsteil drei erste Flächen aufweist, ist besonders vorteilhaft, da in diesem Ausführungsbeispiel die ersten Flächen in einem 120° Winkel zueinander verlaufen und somit ein Lösen der Kupplung beim Überschreiten von Schwellenwerten vorteilhaft möglich ist, ohne dass es zu einem Verkanten der Flächen kommt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass an dem zweiten Kupplungsteil eine Schaltvorrichtung vorgesehen ist, die mit einem Notausschaltkreis der Maschine verbindbar ist, wobei die Schaltvorrichtung beim Lösen der Kupplung schaltet. Die Schaltvorrichtung kann beispielsweise ein Tastschalter sein.
  • Durch das Vorsehen der Schaltvorrichtung, die mit einem Notausschaltkreis der Maschine verbindbar ist, kann gewährleistet werden, dass beim Lösen der Kupplung auch gleichzeitig ein Not-Aus der Maschine, mit der der Aktuator und der Endeffektor verbunden ist, ausgelöst wird.
  • Vorzugsweise weist die Kupplung eine Datenleitung zur Übermittlung von Daten an den Aktuator und/oder die Maschine auf. Auf diese Weise können Signale oder Störungsbefehle von dem Endeffektor an den Aktuator oder die Maschine übermittelt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass jeweils durch das erste und das zweite Kupplungsteil ein Teil der Datenleitung verläuft und an zwei sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Flächen Berührungskontakte vorgesehen sind, so dass eine Datenübermittlung durch die Datenleitung nur im gekoppelten Zustand der Kupplung möglich ist.
  • Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass durch das Greifen des vorbekannten Endeffektors die Hand in ihrer Funktion eingeschränkt ist und nur bedingt weitere Aufgaben durchführen kann.
  • Es ist daher die weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mensch-Maschine-Schnittstelle eines haptischen Eingabegerätes zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, dass die Finger nicht zum Halten des Endeffektors benötigt werden sondern frei sind.
  • Die Erfindung betrifft daher ferner ein haptisches Eingabegerät mit einem Endeffektor, mit einem Aktuator und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kopplung des Endeffektors mit einem Aktuator einer Maschine.
  • Bei dem erfindungsgemäßen haptischen Eingabegerät kann der Endeffektor eine Manschette aufweisen, die mit dem ersten Kupplungsteil der Kupplung verbunden ist, wobei in die Manschette die Hand eines Operators einführbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass das erste Kupplungsteil derart an der Manschette angeordnet ist, dass sich das erste Kupplungsteil im Benutzungszustand an der Außenfläche der Hand des Operators befindet.
  • Durch das Vorsehen des ersten Kupplungsteils an der Außenfläche der Hand des Operators besteht für den Operator die Möglichkeit, die Finger der Hand zu bewegen und eine Greifbewegung der Hand auszuführen. Ein derartiger Endeffektor hat gegenüber einem aus dem Stand der Technik bekannten, mit der Hand zu greifenden Endeffektor den Vorteil, dass die Hand nicht durch das Umgreifen eines Griffs blockiert ist. Auf diese Weise wird es dem Operator ermöglicht, die Finger der Hand zu bewegen, so dass die Hand weitere Aufgaben erfüllen kann. Beispielsweise können über eine separate Steuerungsvorrichtung, beispielsweise eine Fernbedienung oder ähnliches, weitere Steuerungsbefehle an den Aktuator und/oder die Maschine übermittelt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass an der Manschette ein Rahmen angeordnet ist, mit dem das erste Kupplungsteil starr verbunden ist. Über die Manschette mit Rahmen sind die von der Hand des Operators auf den Endeffektor ausgeübten Kräfte und Drehmomente in vorteilhafter Weise auf die Kupplung und somit auf den Aktuator übertragbar.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Manschette Teil eines Handschuhs. Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Handschuh ein Datenhandschuh ist, der im Benutzungszustand die Bewegung der Hand und/oder der Finger des Operators registriert und als Steuersignale an den Aktuator und/oder die Maschine weiterleitet.
  • Durch das Vorsehen eines Datenhandschuhs, der im Benutzungszustand die Bewegung der Hand und/oder der Finger des Operators registriert und als Steuersignale weiterleitet, können neben den herkömmlichen Eingaben im Form von Kraft und/oder Drehmoment durch einfache Bewegungen der Hand und/oder Finger weitere Befehle oder Steuersignale auf eine besonders einfache Art und Weise erzeugt werden. Dadurch wird eine besonders einfache und vorteilhafte Steuerung möglich.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Rahmen eine Öffnung aufweist, durch die der Daumen des Operators durchsteckbar ist.
  • Durch das Vorsehen einer Öffnung, durch die der Daumen durchsteckbar ist, wird der Daumen in seiner Bewegungsmöglichkeit nicht oder nur gering eingeschränkt. Dadurch wird zusätzlich ermöglicht, dass bei beispielsweise der Verwendung eines Datenhandschuhs auch die Bewegungen des Daumens des Operators zur Erzeugung von zusätzlichen Steuersignalen genutzt werden können.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass der Rahmen den Daumen des Operators derart umgibt, dass eine formschlüssige Übertragung der von der Hand ausgeführten Bewegung auf den Endeffektor in vorteilhafter Weise ermöglicht wird.
  • Die erfindungsgemäße Kupplung ermöglicht ferner, dass die Lage der Hand des Operators im Endeffektor bekannt oder zumindest durch Berechnung ermittelbar ist, und somit eine bei vorbekannten Endeffektoren häufig notwendige Positionsbestimmung der Hand, z. B. durch optisches Tracking, wegfallen kann.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Endeffektor mit einem erfindungsgemäßen ersten Kupplungsteil,
  • 2 schematisch ein erfindungsgemäßes zweites Kupplungsteil und
  • 3 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kopplung eines Endeffektors mit einem Aktuator einer Maschine an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle im Einsatz.
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßer Endeffektor 3, der zur Verbindung mit einem Aktuator zur Bildung eines haptischen Eingabegerätes geeignet ist, dargestellt. Der Endeffektor dient als Mensch-Maschine-Schnittstelle, so dass ein Operator an ein Eingabegerät einer Maschine gekoppelt werden kann. Über das haptische Eingabegerät kann eine Kraft-Drehmoment-Rückkopplung der Maschine an den Operator erzeugt werden.
  • Der erfindungsgemäße Endeffektor 3 weist eine Manschette 15 auf, in die die Hand des Operators einführbar ist. Die Manschette weist einen Rahmen 17 auf, mit dem ein erstes Kupplungsteil 5 einer Kupplung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kopplung des Endeffektors 3 mit einem Aktuator starr verbunden ist.
  • Das erste Kupplungsteil 5 ist pyramidenstumpfförmig ausgebildet und weist drei erste Flächen 6 auf, die die Seitenflächen des Pyramidenstumpfes bilden. Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel, bei dem der Pyramidenstumpf eine dreieckige Grundform besitzt, hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da in diesem Ausführungsbeispiel die ersten Flächen in einem 120° Winkel zueinander verlaufen und somit ein Lösen der Kupplung beim Überschreiten von Schwellenwerten vorteilhaft möglich ist, ohne dass es zu einem Verkanten der Flächen kommt.
  • Das erste Kupplungsteil 5 wirkt zum Bilden der Kupplung mit dem in 2 dargestellten Kupplungsteil 7 zusammen. Das zweite Kupplungsteil 7 ist beispielsweise an einem Aktuator angeordnet. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das zweite Kupplungsteil 7 eine Vertiefung 11 auf, die an die Pyramidenstumpfform des in 1 dargestellten ersten Kupplungsteils 5 angepasst ist. Die Vertiefung 11 besitzt drei Seitenwandungen, die zweite Flächen 8 bilden. Im gekoppelten Zustand der Kupplung liegen die ersten Flächen 6 des ersten Kupplungsteils an den zweiten Flächen 8 des zweiten Kupplungsteils 7 an. Es besteht ein Formschluss, so dass in bestimmte Richtungen eine geringe Kraft bzw. ein geringes Drehmoment übertragen werden kann.
  • In den zweiten Flächen 8 sind Befestigungsmittel 9 in Form von Magneten vorgesehen, die im gekoppelten Zustand eine Haftkraft auf die ersten Flächen des ersten Kupplungsteils 5 ausüben, so dass neben dem Formschluss ferner eine Kraftschlussverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungsteil erzeugt wird. Selbstverständlich muss bzw. müssen das erste Kupplungsteil bzw. die ersten Flächen 6 des ersten Kupplungsteils 5 ferromagnetische oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Auch ist es möglich, dass jeweils die gesamten zweiten Flächen als Magnet ausgestaltet sind oder Befestigungsmittel zusätzlich oder alternativ an den ersten Flächen des ersten Kupplungsteils angeordnet ist.
  • Die von dem Befestigungsmittel 9 zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungsteil 5, 7 erzeugte Haftkraft bewirkt, dass eine höhere Kraft bzw. ein höheres Drehmoment vom Endeffektor auf den Aktuator und umgekehrt übertragen werden kann als durch den Formschluss der Kupplung möglich ist. Überschreitet jedoch die von dem Aktuator auf den Endeffektor oder umgekehrt übertragene Kraft bzw. das übertragene Drehmoment einen bestimmten Schwellenwert, reicht die von dem Befestigungsmittel 9 erzeugte Haftkraft zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungsteil 5, 7 nicht aus um diese Kraft zu übertragen, so dass sich die ersten Flächen 6 von den zweiten Flächen 8 lösen und sich somit die Kupplung löst, indem sich beispielsweise das erste Kupplungsteil aus dem zweiten Kupplungsteil herausdreht. Selbstverständlich ist ein Lösen der Kupplung bei einer Kraft, die von dem Aktuator auf den Endeffektor ausgeübt wird und eine Richtung besitzt, die aus der Zeichnungsebene der 2 herausragt nicht möglich, da in diesem Fall das zweite Kupplungsteil 7 senkrecht auf das erste Kupplungsteil 5 drückt, wobei keine Scherkräfte auftauchen, die ein Lösen der Kupplung hervorrufen können.
  • Die Befestigungsmittel 9 können beispielsweise als Elektromagnet ausgebildet sein, so dass die von den Befestigungsmitteln erzeugte magnetische Haftkraft steuerbar ist.
  • Die Vertiefung 11 des zweiten Kupplungsteils 7 weist eine Bodenfläche auf, die an die Deckfläche 14 des Pyramidenstumpfes des ersten Kupplungsteils 5 angepasst ist. In der Bodenfläche 12 ist eine Schalteinrichtung 13 angeordnet, die mit einem Notausschaltkreis der Maschine, an die das haptische Eingabegerät und somit der Endeffektor verbunden ist, angeschlossen ist.
  • Die Schaltvorrichtung ist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Tastschalter, der durch den von der Deckfläche 14 des ersten Kupplungsteils 5 ausgeübten Druck im gekoppelten Zustand der Kupplung geschlossen ist. Beim Lösen der Kupplung fällt der Druck der Deckfläche 14 auf den Tastschalter weg, so dass dieser zum Öffnen des Schaltkreises schaltet. Auf diese Weise kann ein Not-Aus der Maschine beim Lösen der Kupplung erzeugt werden.
  • Ferner besteht die Möglichkeit, dass die Schalteinrichtung zum Auslösen eines Not-Aus durch Berührungskontakte in den ersten und zweiten Flächen des ersten und zweiten Kupplungsteils gebildet ist, wobei im geschlossenen Zustand der Kupplung die Berührungskontakte zum Bilden eines geschlossenen Schalters aneinander anliegen. Beim Lösen der Kupplung wird der Kontakt durch die Lösung der Berührungskontakte unterbrochen, so dass ein Schaltvorgang und somit ein Not-Aus ausgelöst werden kann. Auch ist es möglich, den Schalter berührungslos, beispielsweise induktiv oder mit einem Reedkontakt, zu bilden.
  • Wie aus 1 hervorgeht, kann die Manschette 15 Befestigungslaschen 20 aufweisen, über die die Manschette an der Hand des Operators fixiert werden kann.
  • Zur Verwendung wird die Hand des Operators in die Manschette 15 eingeführt, wobei durch eine Öffnung 18 im Rahmen der Daumen des Operators gesteckt werden kann. Mit Hilfe der Befestigungslaschen wird dann die Manschette an der Hand des Operators fixiert. Der Rahmen 17 ist dabei so an der Hand des Operators angeordnet, dass sich das erste Kupplungsteil an der Außenseite der Hand des Operators befindet.
  • Bei herkömmlichen Endeffektoren, beispielsweise Joystick-Griffen, war es bisher nicht möglich, die Hand des Operators an dem Endeffektor zu fixieren, da alle Kräfte und Drehmomente von dem Aktuator auf den Endeffektor übertragen wurden. Somit musste der Operator die Möglichkeit besitzen, den Endeffektor loszulassen, um Verletzungen zu vermeiden. Durch das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kopplung des Endeffektors mit dem Aktuator, bei dem eine lösbare Kupplung vorgesehen ist, kann nunmehr der Endeffektor an der Hand des Operators fixiert werden, ohne dass eine überhöhte Verletzungsgefahr für den Operator besteht. Bei dem Vorliegen von überhöhten Kräften oder Drehmomenten, die von dem Aktuator an den Endeffektor übertragen werden sollen, löst sich die Kupplung, so dass eine Verletzung des Operators vermieden wird. Die Übertragung von zu hohen Kräften oder Drehmomenten auf die Hand des Operators kann zu einer Verdrehung der Hand oder anderen Gelenken des Operators und somit zu schwerwiegenden Verletzungen führen. Dies wird jedoch durch die vorliegende Erfindung vermieden.
  • Der erfindungsgemäße Endeffektor und die erfindungsgemäße Vorrichtung haben ferner den Vorteil, dass die Bewegungsfreiheit der Hand des Operators nur gering eingeschränkt ist, so dass die Finger bewegbar sind und die Hand ferner eine Greifbewegung ausführen kann. Dies wird in erster Linie dadurch ermöglicht, dass die Verbindung des Endeffektors mit dem Aktuator über die erfindungsgemäße Vorrichtung an der Außenseite der Hand des Operators angeordnet ist.
  • In 3 ist ein erfindungsgemäßes haptisches Eingabegerät, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 sowie einen Endeffektor 3 und einen Aktuator 4 aufweist, schematisch dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dient zur Kopplung des Endeffektors 3 mit dem Aktuator 4 an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist eine Kupplung auf, die aus einem ersten Kupplungsteil 5 und einem zweiten Kupplungsteil 7 besteht, wobei das erste Kupplungsteil 5 an dem Endeffektor 3 und das zweite Kupplungsteil 7 an dem Aktuator 4 angeordnet ist. Die Details des ersten Kupplungsteils 5 und des zweiten Kupplungsteils 7 sind in 3 nicht dargestellt. Das erste und das zweite Kupplungsteil 5, 7 können beispielsweise wie in dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein.
  • Der Endeffektor 3 weist einen Handschuh 19 mit Manschette 15 auf, mit der das erste Kupplungsteil 5 mit Hilfe eines Rahmens 17 starr verbunden ist. Der Handschuh ist dabei so angeordnet, dass im Benutzungszustand, bei dem die Hand eines Operators in dem Handschuh steckt, das erste Kupplungsteil 5 an der Außenseite der Hand des Operators angeordnet ist. Der Handschuh 19 kann als Datenhandschuh ausgebildet sein, der im Benutzungszustand die Bewegungen der Hand und/oder der Finger des Operators registriert.
  • Aus den registrierten Bewegungen können Steuersignale erzeugt werden, die beispielsweise an den Aktuator 4 und/oder die Maschine weitergeleitet werden können. Dazu besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung 1 eine in der 3 nicht dargestellte Datenleitung aufweist, über die die Steuersignale von dem Endeffektor 3 an den Aktuator 4 übermittelt werden. Die Datenleitung kann beispielsweise in den ersten Flächen 6 des ersten Kupplungsteils 5 und in den zweiten Flächen 8 des zweiten Kupplungsteils 7 endende Berührungskontakte aufweisen, die im geschlossenen Zustand der Kupplung der Vorrichtung 5 einander zur Bildung einer Datenleitung kontaktieren.
  • Wie aus 3 hervorgeht, weist der Rahmen 17 eine Öffnung 18 auf, durch die der Daumen des Handschuhs geführt ist, so dass im Benutzungszustand der Daumen der Hand des Operators durch die Öffnung 18 durchgesteckt ist. Der Rahmen 17 umgibt somit den Daumen des Operators, wobei der Rahmen 17 eine ausreichende Bewegungsfreiheit des Daumens zulässt. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der Daumen Greifbewegungen oder ähnliches ausführen kann, um einen Gegenstand greifen oder ein Datensignal in einem Datenhandschuh erzeugen zu können.
  • Bei dem erfindungsgemäßen haptischen Eingabegerät 10 besteht die Möglichkeit, dass neben den herkömmlichen Bewegungseingaben in das Eingabegerät Steuersignale oder Befehle an den Aktuator oder die Maschine eingegeben werden können, da der Endeffektor 3 Finger bzw. Handbewegungen des Operators zulässt, die die Steuersignale bzw. -befehle erzeugen können.
  • In einem nicht dargestellten, besonderen Ausführungsbeispiel sind zwei erfindungsgemäße Endeffektoren vorgesehen, die zusammen mit zwei Aktuatoren zwei haptische Eingabegeräte bilden. Dabei sind die Endeffektoren so ausgestaltet, dass jeweils ein Endeffektor an die rechte Hand und ein Endeffektor an die linke Hand des Operators angepasst ist. Über die beiden haptischen Eingabegeräte können somit Bewegungen von zwei Händen bzw. Armen des Operators an eine Maschine oder einen Computer übertragen werden.
  • Die Kupplung der erfindungsgemäßen Vorrichtung muss nicht zwangsläufig zwei Kupplungsteile mit drei Flächen aufweisen, sondern es sind auch Kupplungen mit weniger oder mehr aneinander liegenden Flächen möglich. Dabei muss lediglich gewährleistet sein, dass ein Lösen der Kupplung möglich ist, ohne dass es zu einem Verkanten der aneinanderliegenden ersten und zweiten Flächen der ersten und zweiten Kupplungsteile kommen kann.
  • Auch muss das zweite Kupplungsteil 7 der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht direkt mit dem Aktuator 4 verbunden sein. Wie beispielsweise aus 3 hervorgeht, kann auch eine weitere Kupplung zwischen dem zweiten Kupplungsteil 7 und dem Aktuator 4 in Form eines Schnellverschlusses 21 vorgesehen sein. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Nachrüstteil für herkömmliche Mensch-Maschinen-Schnittstellen verwendbar.

Claims (15)

  1. Vorrichtung (1) zur Kopplung eines Endeffektors (3) mit einem Aktuator (4) einer Maschine an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, mit einer Kupplung mit einem ersten Kupplungsteil (5), das an dem Endeffektor (3) angeordnet ist, mit einem zweiten Kupplungsteil (7), das an dem Aktuator (4) angeordnet ist, wobei das erste und zweite Kupplungsteil (5, 7) im gekoppelten Zustand eine Kraft in mindestens eine Richtung und/oder ein Drehmoment in mindestens eine Richtung übertragen kann, wobei die Kraft und/oder das Drehmoment zumindest teilweise durch Formschluss übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kupplungsteil (5) mindestens zwei erste Flächen (6) aufweist, dass das zweite Kupplungsteil (7) mindestens zwei zweite Flächen (8) aufweist, wobei die zweiten Flächen an die ersten Fläche angepasst sind, und dass im gekoppelten Zustand die ersten Flächen (6) des ersten Kupplungsteils (5) an den zweiten Flächen (8) des zweiten Kupplungsteils (7) anliegen, wobei das erste und/oder das zweite Kupplungsteil (5, 7) Befestigungsmittel (9) zum Erzeugen einer Haftkraft zwischen den ersten und zweiten Flächen (6, 8) aufweist, derart, dass die ersten und zweiten Flächen (6, 8) beim Überschreiten eines Schwellenwertes der zu übertragenden Kraft und/oder des zu übertragenden Drehmoments zum Lösen der Kupplung voneinander lösbar sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Flächen (6) des ersten Kupplungsteils (5) und die zweiten Flächen (8) des zweiten Kupplungsteils (6) ebene Flächen sind, die in einem Winkel zueinander verlaufen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (9) Magnete sind, die eine magnetische Haftkraft zwischen den ersten und zweiten Flächen (6, 8) erzeugen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete Dauermagneten sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete Elektromagneten sind, wobei vorzugsweise die durch die Elektromagneten erzeugte magnetische Haftkraft steuerbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kupplungsteil (5) pyramidenstumpfförmig ausgebildet ist, wobei die ersten Flächen (6) die Seitenflächen des Pyramidenstumpfes bilden und dass das zweite Kupplungsteil (7) eine Vertiefung (11) aufweist, die an die Pyramidenstumpfform des ersten Kupplungsteils (5) angepasst ist, wobei die zweiten Flächen (8) Seitenwandungen der Vertiefung (11) bilden und wobei im gekoppelten Zustand jede zweite Fläche (8) jeweils an einer ersten Fläche (6) des ersten Kupplungsteils (5) anliegt.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Kupplungsteil (7) eine Schaltvorrichtung (13) vorgesehen ist, die mit einem Notausschaltkreis der Maschine verbindbar ist, wobei die Schaltvorrichtung (13) beim Lösen der Kupplung schaltet.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung eine Datenleitung zur Übermittlung von Daten von dem Endeffektor (3) an den Aktuator (4) und/oder die Maschine aufweist.
  9. Haptisches Eingabegerät (10) mit einem Endeffektor (3), mit einem Aktuator (4) und mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Haptisches Eingabegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Endeffektor (3) eine Manschette (15) ist, die mit dem ersten Kupplungsteil (5) der Kupplung verbunden ist, wobei in die Manschette (15) die Hand eines Operators einführbar ist.
  11. Haptisches Eingabegerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kupplungsteil (5) derart an der Manschette (15) angeordnet ist, dass sich das erste Kupplungsteil (5) im Benutzungszustand an der Außenfläche der Hand des Operators befindet.
  12. Haptisches Eingabegerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (15) einen Rahmen (17) aufweist, mit dem das erste Kupplungsteil (5) starr verbunden ist.
  13. Haptisches Eingabegerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (15) Teil eines Handschuhs (19) ist, vorzugsweise ein Datenhandschuh, der im Benutzungszustand die Bewegungen der Hand und/oder der Finger des Operators registriert und als Steuersignale an den Aktuator (4) und/oder die Maschine weiterleitet.
  14. Haptisches Eingabegerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (17) eine Öffnung (18) aufweist, durch die der Daumen des Operators durchsteckbar ist.
  15. Endeffektor (3) für ein haptisches Eingabegerät (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 14.
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