DE102009006934B4

DE102009006934B4 - Abwurfmechanismus für ein an einem Roboter befestigtes Bein

Info

Publication number: DE102009006934B4
Application number: DE102009006934A
Authority: DE
Inventors: Bojan Jakimovski
Original assignee: MEDIZINISCHE UNIVERSITAET ZU LUEBECK; MEDIZINISCHE UNI ZU LUEBECK; Medizinische Universitat Zu Luebeck
Current assignee: MEDIZINISCHE UNIVERSITAET ZU LUEBECK; MEDIZINISCHE UNI ZU LUEBECK; Medizinische Universitat Zu Luebeck
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-01-31
Also published as: DE102009006934A1

Abstract

Abwurfmechanismus für ein an einem Roboter (1) befestigtes Bein (7), mit einer an einem Roboter (1) angeordneten Buchse, zwei am Bein (7) angeordneten, in die Buchse einsetzbaren Führungsstiften (6), und einer das Bein (7) in der Buchse befestigenden Arretierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierung durch eine in jedem Führungsstift (6) senkrecht zur Stiftachse gebildete Bohrung, eine gegen die Kraft einer Haltefeder (19) gelagerte Halterung (9) mit zwei in die Bohrungen einsetzbaren Arretierungsstiften (8), und einen die Halterung (9) gegen die Kraft der Haltefeder (19) in ihrer Position fixierenden Haltestift (11), der mit seinem einen Ende zur Verriegelung des Beins (7) am Roboter (1) in ein am Roboter (1) angeordnetes Loch einsetzbar und mit seinem anderen Ende an einem von einem Servomotor (3) angetriebenen Hebel (14) befestigt ist, gebildet ist, wobei der Servomotor (3) bei Vorliegen eines Kommandos zur Entriegelung des Beins (7) zum Verbringen des Haltestifts (11) aus einer ersten Position, in der der Haltestift (11) das Bein (7) am Roboter (1) fixierend in das Loch eingesetzt ist, in eine zweite Position, in der der Haltestift (11) unter Freigabe der Halterung (9) und damit der Führungsstifte (6) aus dem Loch herausgehoben ist, eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen gezielten Abwurfmechanismus für Roboterbeine an mehrbeinigen Robotern, um die allgemeinen Leistungsparameter eines Roboters – besonders die dynamischen – bei Defekten oder Funktionsuntüchtigkeit einzelner Roboterbeine zu verbessern. Der Mechanismus ist besonders sinnvoll für lauffähige Roboter, bei denen die Beine in einer räumlichen Symmetrie angeordnet sind.
Lauffähige Roboter sind Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklung („Distributed Fault-Tolerant Robot Control Architecture Based an Organic Computing Principles” In: Biologically-Inspired Collaborative Computing, IFIP 20th World Computer Congress, 8–9 Sept. 2009, Vol. 268/2008, S. 115–124, Springer Boston; ”Swarm Intelligence for Self-Reconfiguring Walking Robot” In: 2008 IEEE Swarm Intelligent Symposium, 21–23 Sept. 2008, S. 1–8). Ihre Aufgaben sind ganz allgemein der Transport von Messeinrichtungen, Werkzeugen, Reinigungsgeräten, Beobachtungskameras etc. oder das Ausführen monotoner oder gefährlicher Arbeiten. Bewegungsroboter dienen dabei der ferngesteuerten, semiautonomen Unterstützung von Bedienern oder der vollautonomen Durchführung stupider Tätigkeiten insbesondere an größeren Gebilden oder in schwer zugänglichen Bereichen.
Es gibt verschiedene Variationen und Modelle von Robotern, die sich, entsprechend ihrer Konstruktion, in vier Hauptgruppen unterteilen lassen. Mit Gelenken versehene lauffähige Roboter, Roboter auf Rädern, modulare Roboter und statische Roboter (Industrieroboter). Abhängig vom Design und der Anzahl der Beine sind die häufigsten Konfigurationen von lauffähigen Robotern zweibeinige – humanoide Roboter – vierbeinige, sechsbeinige oder achtbeinige Roboter, selten zehnbeinige. Je mehr Beine ein Roboter besitzt, umso mehr Freiheitsgrade besitzt er und je größer ist die Redundanz bei Beinausfällen aktionsfähig zu bleiben.
Beispiele lauffähiger Roboter finden sich beispielsweise in der JP 11-058272 A , der US 2004/0255711 A1 und der US 2008/0252247 A1 .
Bevorzugt bei lauffähigen Robotern sind sechsbeinige Ausführungen, eine sog. Lynxmotion. Ob die Beine räumlich in einer Linie oder in einem Kreis angeordnet sind hängt seltener von konstruktiven Merkmalen ab, als mehr von designerischen Gesichtspunkten.
Das Design des Beines eines lauffähigen Roboters ist mit zwei oder mehreren Gelenken versehen, enthält verschiedene Servos, die mit den Beinsegmenten verbunden sind. Die Servos werden elektronisch oder pneumatisch betrieben und sind für die Bewegung der jeweiligen Segmente des Beines verantwortlich. Hauptbestandteil eines solchen Designs ist die feste Verbindung zum Körper des Roboters. Sollte der Roboter in einem seiner Beine eine Fehlfunktion haben, so muss der Roboter das defekte Bein mit sich herumtragen, was sich negativ auf die Dynamik und den Energieverbrauch des Roboters auswirkt, ja sogar die Fortsetzung seiner Mission verhindern kann.
Ausgehend von der JP 11-058272 A ist es daher Aufgabe der Erfindung einen Abwurfmechanismus für ein an einem Roboter befestigtes Bein zu entwickeln, damit der Roboter durch ein oder mehrere, beispielsweise aufgrund eines Defekts, funktionsuntüchtig gewordene Beine in seiner Bewegungsfähigkeit nicht oder nur kaum eingeschränkt wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Abwurfmechanismus mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Grundgedanke der Erfindung ist es zunächst den bei ordnungsgemäßer Funktionsausübung auf eine bestimmte Anzahl von Beinen ausgerichteten Bewegungsablauf bei Auftreten eines defekten Beins in einen Bewegungsablauf zu ändern, der für die verbleibende Anzahl von funktionstüchtigen Beinen ausgelegt ist, wobei das oder die defekten Bein(e) aus der Ansteuerung für den Bewegungsablauf ausgenommen sind. Sollte der neue Bewegungsablauf nicht wie vorbestimmt ausgeführt werden, weil das oder die defekten Bein(e) den neuen Bewegungsablauf behindern, ist bevorzugt vorgesehen, dass das oder die defekten Bein(e) vom Roboter gelöst und besonders bevorzugt aktiv abgeworfen werden.
Bei der Konzeption von Laufrobotern, die sich selber funktionsbehindernde oder funktionsuntüchtige Gliedmaßen amputieren, ist nachstehendes Problem zu lösen: Wie ist der Bewegungsablauf strukturiert und wie verändert er sich nach der Amputation z. B. eines Beines oder zweier Beine? Dafür muss die Beinanzahl und der Anbringungsort der Beine so gewählt werden, dass die Funktionstüchtigkeit nach der Amputation in ihren Hauptfunktionen erhalten bleibt und die Amputation bewegungstechnisch – besonders in der Bewegungsdynamik – keine markanten Nachteile mit sich bringt.
Lauffähige Roboter erfordern besonders bei der Konzipierung der Bewegungsabläufe ausgereifte Konzepte, deren Qualität und Umfang mit der Abnahme der Beinanzahl wächst. Logischer Weise erfordern zweibeinige Schreitroboter die höchsten Anforderungen. Zum Stand der Technik kann das Konzept des japanischen Patentes JP 3629133 B2 , das u. a. in Deutschland als DE 698 36 765 T2 vorliegt, gezählt werden. Für lauffähige Roboter werden Bewegungsmuster als NMP-Trajektorien erzeugt, die der Dynamikbewegung zugrunde gelegt werden und meist durch Auflösung der Euler-Newton-Gleichung eine vorbestimmte, gewünschte Trajektorie ergeben. Zweibeinige Schreitroboter – wie schon erwähnt – stellen hier die höchsten Anforderungen, liefern aber die besten Lösungen für mehrbeinige Roboter [z. B. sechs, acht oder zehn Beine], da der mehrbeinige Roboter nach einer Beinamputation weiterhin schreitbar sein soll und im Extremfall mit drei Beinen auskommen sollte. Ein derartiger Roboter kommt dem zweibeinigen bezüglich seiner Bewegungs-/Schreitabläufe bereits sehr nahe, was in Abschnitt 0026 der DE 698 36 765 T2 angezeigt ist, bei dem der Roboterkörper eine Mehrzahl von Beinen aufweist, deren jedes mit dem Körper durch ein erstes Gelenk verbunden ist und einen Fuß aufweist, der mit dessen distalen Ende durch ein zweites Gelenk verbunden ist – Voraussetzungen um gewünschte Bewegungsmuster des Roboters auf Bodenflächen zu ermöglichen. Wird ein vorgegebenes Bewegungsmuster durch den Ausfall eines Beines oder mehrerer Beine gestört, so wirkt das defekte Bein/wirken die defekten Beine auf die Bewegungstrajektorie störend – unter Umständen so aggressiv, dass eine Weiterbewegung des Roboters unmöglich wird.
Die Erfindung wird anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Mechanismus zur Amputation von Roboterbeinen, in der Roboterbein und Roboterkörper voneinander gelöst sind,
2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Mechanismus zur Amputation von Roboterbeinen, in der Roboterbein und Roboterkörper miteinander verbunden sind und
3 eine Draufsicht auf die Kupplung am Roboter.
Der Roboterbein-Abwurf-Mechanismus (Auslösemechanismus), auch als R-LEGAM-Mechanismus bezeichnet, besteht aus dem tragenden Hauptteil 1, welcher die Beinsegmente trägt und mit dem Körper des Roboters verbunden ist.
Der abnehmbare Teil 7 des Roboterbeins, auf welchem die Servos für die Bewegungsabläufe der Beinsegmente befestigt sind, enthält zwei Führungsstifte 6 mit Löchern an ihren Enden, die genutzt werden, um den abnehmbaren Teil 7 des Mechanismus während des Amputationsvorganges zu führen. Über den zwei Führungsstiften 6 befindet sich je eine Druckfeder 12, die dazu dient, den abnehmbaren Teil 7 des Roboterbeins abzustoßen, wenn der Abstoßmechanismus aktiviert wurde.
Die beiden Führungsstifte 6 passen in die zwei Löcher, welche sich auf dem tragenden Hauptteil 1 des Roboters befinden. Das abnehmbare Segment 7 hat zusätzliche Stabilisierungselemente 4, welche in Kombination mit kantigen Stabilisierungselementen 17, die sich auf dem tragenden Hauptteil 1 befinden und dazu beitragen, Schwingungen zu reduzieren, solange der abnehmbare Teil 7 mit dem tragenden Hauptteil 1 für die Normalfunktion des Beines/des Roboters verbunden ist.
Zusätzlich hat das abnehmbare Segment 7 elektrische Anschlussverbindungen 5, welcher mit den elektrischen Anschlussverbindungen 18 des tragenden Hauptteils 1 verbunden sind, um für die Bewegung des Roboterbeins die nötige elektrische Leistung bereit zu stellen. Die elektrischen Anschlussverbindungen 5, 18 werden außerdem benutzt, um Steuer- und Kontrollsignale an die Beinsegmente des Roboters zu übertragen.
Wenn die Druckfedern 12 des abnehmbaren Segmentes 7 zusammengepresst sind und die Führungsstifte 6 sich in den für sie vorgesehenen Löchern befinden, können die Arretierungsstifte 8 in vorgesehenen Bohrungen der Führungsstiften 6 im 90°-Winkel zu ihnen eingeführt werden, um somit die Führungsstifte 6 zu arretieren. Der abnehmbare Teil 7 ist damit fest mit dem Hauptteil 1 verbunden. Wenn sich also die Arretierungsstifte 8 in den Löchern der Führungsstifte 6 befinden, dann drückt die zusammengepresste Haltefeder 19, welche um den Metallstab 10 angebracht ist, so stark die Halterung 9 nach außen, um die Arretierungsstifte 8 zu halten. Um ein unkontrolliertes Auseinandergehen des tragenden Hauptteils 1 und des abnehmbaren Teils 7 des R-LEGAM zu verhindern, geht ein metallischer Haltestift 11 in ein kleines Loch im tragenden Hauptteil 1 – die Entriegelung des abnehmbaren Segments 7 ist verhindert. Der metallische Haltestift 11 wird also durch den Hebel 14, der am Rotationspunkt 13 befestigt ist und vom Servomotor 3 über einen Rotationsschaft 15, der mittels eines Rotations- und Verbindungsbolzens 16 mit dem Hebel 14 verbunden ist, in das entsprechende Loch im Hauptteil 1 zur Entriegelungsverhinderung geführt.
Da die Kraft, welche auf den metallischen Haltestift 11 wirkt, recht hoch ist und daher eine Bewegung des Stiftes erschwert, ist der metallische Haltestift 11 konstruktiv am Ende des Hebels 14 zusätzlich mit einem Pivotpunkt verbunden. Der Servomotor 3 ist durch die Elemente 2 auf dem tragenden Hauptteil 1 befestigt und mit der Steuerelektronik durch Kabel verbunden.
Auf ein gegebenes Kommando bewegt der Servomotor 3 den Rotationsschaft 15, welcher durch die Bewegung des Rotations- und Verbindungsbolzens 16 den Hebel 14 und gleichzeitig den Haltestift 11 nach oben bewegt. Durch die Aufwärtsbewegung kommt der Haltestift 11 aus dem Loch des tragenden Hauptteils 1. Als Resultat der Spannung der Haltefeder 19 auf die Halterung 9 ist diese nicht mehr durch den Haltestift 11 blockiert, bewegt sich nach außen und bringt somit die Arretierungsstifte 8 aus den Löchern der Führungsstifte 6. Durch den Druck der zusammengepressten Druckfedern 12 wird der abnehmbare Teil 7 zusammen mit allen anderen Segmenten vom tragenden Hauptteil 1 abgetrennt. Beim Abtrennvorgang des abnehmbaren Teils 7 vom tragenden Hauptteil 1 wird die elektrische Anschlussverbindung zwischen den Anschlüssen 5 und 18 ebenfalls unterbrochen. Damit ist das Bein des Roboters komplett abgetrennt vom Körper des Roboters, benötigt aufgrund eventueller Defekte keine Ruheenergie und stört die dynamischen Arbeitsabläufe des beinreduzierten Roboters nicht.
Bezugszeichenliste

1: tragendes Hauptteil für die Roboterbeine
2: Fixierelement für den Servomotor
3: Servomotor
4: Stabilisierungselemente
5: elektrische Anschlussverbindung am Roboterbein
6: Führungsstift mit Loch
7: Abnehmbarer Teil des R-LEGAM-Mechanismus
8: Arretierungsstift für Mechanismushalterung
9: Halterung für Metallstifte 8
10: Metallstab zur Führung der Feder 19
11: metallischer Haltestift
12: Druckfedern
13: Rotationspunkt für Hebel 15
14: Hebel
15: Rotationsschaft
16: Rotations- und Verbindungsbolzen
17: Stabilisationselemente
18: elektrische Anschlussverbindung am Hauptteil
19: Haltefeder
20: Haltebohrungen für Stabilisierungselemente

Claims

Abwurfmechanismus für ein an einem Roboter (1) befestigtes Bein (7), mit – einer an einem Roboter (1) angeordneten Buchse, – zwei am Bein (7) angeordneten, in die Buchse einsetzbaren Führungsstiften (6), und – einer das Bein (7) in der Buchse befestigenden Arretierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierung durch – eine in jedem Führungsstift (6) senkrecht zur Stiftachse gebildete Bohrung, – eine gegen die Kraft einer Haltefeder (19) gelagerte Halterung (9) mit zwei in die Bohrungen einsetzbaren Arretierungsstiften (8), und – einen die Halterung (9) gegen die Kraft der Haltefeder (19) in ihrer Position fixierenden Haltestift (11), der mit seinem einen Ende zur Verriegelung des Beins (7) am Roboter (1) in ein am Roboter (1) angeordnetes Loch einsetzbar und mit seinem anderen Ende an einem von einem Servomotor (3) angetriebenen Hebel (14) befestigt ist, gebildet ist, wobei der Servomotor (3) bei Vorliegen eines Kommandos zur Entriegelung des Beins (7) zum Verbringen des Haltestifts (11) aus einer ersten Position, in der der Haltestift (11) das Bein (7) am Robotor (1) fixierend in das Loch eingesetzt ist, in eine zweite Position, in der der Haltestift (11) unter Freigabe der Halterung (9) und damit der Führungsstifte (6) aus dem Loch herausgehoben ist, eingerichtet ist.
Abwurfmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsstifte (6) im am Roboter (1) gekuppelten Zustand gegen die Kraft einer Druckfeder (12) gelagert sind.