DE102009042979B4

DE102009042979B4 - Sehnenspannungssensor

Info

Publication number: DE102009042979B4
Application number: DE102009042979.4A
Authority: DE
Inventors: Chris A. Ihrke; Lyndon Bridgwater; Robert Platt
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2029-09-26
Also published as: DE102009042979A1; US8371177B2; JP2010085410A; US20100081969A1; JP4921533B2

Abstract

Sehnenspannungssensor, der umfasst: einen ersten Endabschnitt, der einen ersten gebogenen Kanal umfasst; einen zweiten Endabschnitt, der einen zweiten gebogenen Kanal umfasst; einen schmalen Mittelabschnitt, der mit den ersten und zweiten Endabschnitten gekoppelt ist und sich dazwischen befindet; und mindestens einen Dehnungsmessstreifen, der an dem Mittelabschnitt montiert ist, wobei die ersten und zweiten gebogenen Kanäle dazu dienen, eine ununterbrochene Länge einer Sehne derart aufzunehmen, dass eine Spannung an der Sehne bewirkt, dass sich der Mittelabschnitt verbiegt, was von dem mindestens einen Dehnungsmessstreifen gemessen werden kann.

Description

ANGABE HINSICHTLICH STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Die hier beschriebene Erfindung kann für Zwecke der US-Regierung (d. h. für nicht kommerzielle Zwecke) von oder für die US-Regierung hergestellt und verwendet werden, ohne dass darauf oder dafür Gebühren zu entrichten sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein einen Sehnenspannungssensor und insbesondere einen Spannungssensor für eine Sehne in einem Roboterarm, wobei der Sensor ein elastisches Element, durch welches die Sehne geführt ist, und Dehnungsmessstreifen verwendet, die an dem elastischen Element montiert sind, welche die Biegung des elastischen Elements in Ansprechen auf eine Spannung an der Sehne messen.
2. Erörterung der verwandten Technik
In der Technik sind geschickte Robotersysteme (dexterous robot systems) bekannt, die eine Vielzahl von Funktionen ausführen. Ein geschicktes Robotersystem umfasst typischerweise einen Roboterarm mit Fingern und zugehörigen Gelenken, die zum Greifen eines Objekts oder eines Teils für eine spezielle Anwendung dienen. Bei einem speziellen Entwurf eines geschickten Robotersystems werden Sehnen eingesetzt, um die Finger zu betätigen, wobei die Sehnen mit den Fingergelenken gekoppelt sind. Die Spannung in den Sehnen stellt eine Anzeige der externen Lasten, die von den Fingern wahrgenommen werden, bereit. Es ist daher wünschenswert, die Spannung in der Sehne zu messen, um eine Messung der Last an den Fingern bereitzustellen.
Eine bekannte Technik zur Messung der Spannung in einer Robotersehne verwendet einen Dehnungsmessstreifensensor zur Messung der Zugverformung der Sehne. Der Bereich von Zugkräften, die in Roboteranwendungen auftreten, kann jedoch so klein sein, dass Dehnungsmessstreifensensoren möglicherweise nicht empfindlich genug sind, um eine genaue Messung bereitzustellen.
In der Technik ist es ebenfalls bekannt, Lastzellen zur Messung der Spannung zu verwenden. Jedoch sind kommerziell verfügbare Lastzellen typischerweise insofern zu groß für Roboteranwendungen, als sie nicht auf angemessene Weise im Inneren eines Roboterarms untergebracht werden können.
Ein anderer bekannter Entwurf verwendet ein S-förmiges elastisches Element, an welchem ein Dehnungsmessstreifen montiert ist. Ein Ende einer Sehne ist mit einem Ende des S-förmigen Elements gekoppelt und ein Ende einer weiteren Sehne ist mit einem gegenüberliegenden Ende des S-förmigen Elements so gekoppelt, dass eine Spannung an der Sehne bewirkt, dass sich das S-förmige Element verformt. Dieser Entwurf erfordert ein Zerschneiden der Sehne und weist einen relativ großen Durchmesser auf.
Die Druckschrift US 5 316 017 A offenbart eine Mensch-Maschine-Schnittstelle für ein Gelenkmesssystem, die einen Sensor mit einem ersten Ende und mit einem zweiten Ende und mit vier Messwertgebern enthält, die am Sensor so angeordnet sind, dass sie auf einen Biegevorgang in zwei Richtungen reagieren. Das erste Ende des Sensors wird starr befestigt und das zweite Ende wird verschiebbar befestigt, sodass ein Biegen in zwei Richtungen ohne Zugkräfte, die aus dem Biegen resultieren, erfasst werden kann.
In der Druckschrift US 5 484 389 A ist ein orthopädisches Gerät zur Begrenzung von Bewegungen von zwei flexibel verbundenen Körpergliedern offenbart, bei dem ein Belastungssensor in dem orthopädischen Gerät verwendet wird, um in dem Gerät auftretende Belastungen zu erfassen und aufzuzeichnen.
Die Druckschrift JP 2002-90 239 A offenbart eine Vorrichtung zur Detektion einer mechanischen Spannung an einem linearen Körper, etwa einem Draht, mit einem Stützkörper, der an beiden Enden Montageteile zur freien Befestigung und Entfernung am linearen Körper sowie ein Biegeteil aufweist. Durch das Biegeteil der Vorrichtung wird ein Draht, an dem die Vorrichtung angebracht wird, in eine V-förmige Gestalt gebogen und ein am Stützkörper angebrachter Dehnungsmesstreifen misst die am Draht anliegende mechanische Spannung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Sehnenspannungssensor offenbart, der eine spezielle Anwendung zur Messung einer Spannung an einer Sehne, die in einem Roboterarm verwendet wird, aufweist. Der Spannungssensor umfasst ein elastisches Element mit einem gebogenen Kanal, durch welchen die Sehne geführt ist. Das elastische Element umfasst auch einen Mittelabschnitt, an welchem Dehnungsmessstreifen montiert sind, die die Dehnung an dem elastischen Element messen. Eine Spannung an der Sehne bewirkt, dass sich der Mittelabschnitt des elastischen Elements biegt oder krümmt, was von den Dehnungsmessstreifen gemessen wird, die eine Anzeige der Spannung in der Sehne bereitstellen.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Veranschaulichung eines Roboterarms, der mit Gelenken versehene Finger umfasst, die von Sehnen gesteuert werden, und der einen Sehnenspannungssensor umfasst;
2 ist eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Sehnenspannungssensors, der von dem Roboterarm getrennt ist;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Sehnenspannungssensors, der dem in 2 gezeigten Sehnenspannungssensor ähnelt; und
4(a)–4(c) zeigen eine Ansicht von oben, eine Ansicht von der Seite bzw. eine Ansicht von unten eines elastischen Elements für den in 3 gezeigten Sehnenspannungssensor.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Sehnenspannungssensor gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und ist keinesfalls dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken. Zum Beispiel verfügt der erfindungsgemäße Sehnenspannungssensor über eine spezielle Anwendung zur Messung der Spannung einer Sehne in einem Roboterarm. Der Fachmann wird jedoch feststellen, dass der erfindungsgemäße Sehnenspannungssensor zur Messung der Spannung in anderen Typen von Sehnen Verwendung findet.
1 ist eine Veranschaulichung eines Roboterarms 10, der eine Hand 12 umfasst, die eine Vielzahl von Fingern 14 aufweist. Der Roboterarm 10 ist die Art von Roboterarm, die typischerweise in geschickten Robotersystemen verwendet wird. Jeder der Finger 14 umfasst ein Gelenk 16, das es den Fingern 14 ermöglicht, in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung ein spezielles Objekt zu greifen. Um es zu ermöglichen, dass die Gelenke 16 so betätigt werden, dass die Finger 14 geschlossen und geöffnet werden, sind Sehnen 18 mit den Gelenken 16 gekoppelt, wobei eine Zugkraft an den Sehnen 18 bewirkt, dass sich die Finger 14 schließen. Wie vorstehend erörtert, ist es wünschenswert, die Spannung an den Sehnen 18 zu messen, sodass die Kraft bekannt ist, die auf das Objekt, das von den Fingern 12 ergriffen wird, aufgebracht wird. Um diese Messung bereitzustellen, schlägt die vorliegende Erfindung einen Sehnenspannungssensor 20 vor.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Sehnenspannungssensors 20, der aus dem Roboterarm 10 entfernt ist. Der Spannungssensor 20 umfasst einen elastischen Körper oder ein elastisches Element 30 mit Endabschnitten 32 und 34, die durch einen verengten Mittelabschnitt 36 zusammengekoppelt sind. Der Endabschnitt 32 umfasst einen gebogenen Kanal 38 und der Endabschnitt 34 umfasst einen gebogenen Kanal 40, durch welche hindurch die Sehne 18 gefädelt oder geführt ist, sodass sie sich, wie gezeigt, entlang des Mittelabschnitts 36 erstreckt. Folglich bewirkt eine Zugmaßnahme oder -kraft an der Sehne 18, dass sich der Mittelabschnitt 36 als Folge dessen, dass die Sehne 18 durch die Kanäle 38 und 40 auf die gebogene Weise geführt ist, krümmt oder verbiegt. Dehnungsmessstreifen 42 sind an einander gegenüberliegende Seiten des Mittelabschnitts 36 montiert und können die Krümmung des Elements 30 messen, um eine Anzeige der Spannungskraft an der Sehne 18 bereitzustellen.
Bei dieser nicht einschränkenden Ausführungsform ist das elastische Element 30 ein Element aus einem Stück, das eine allgemein abgerundete Konfiguration aufweist, welche ein leichteres Einpassen in den Roboterarm 10 fördert. Ferner kann das elastische Element 30 aus einem beliebigen Material gefertigt sein, das für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, das leicht geformt oder maschinell bearbeitet werden kann, einer wiederholten Krümmungskraft widersteht und kostengünstig ist. Ein geeignetes Beispiel für dieses Material ist Aluminium.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Sehnenspannungssensors 50 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Sehnenspannungssensor 50 umfasst ein elastisches Element 52 mit Endabschnitten 54 und 56, die gebogene Kanäle 60 bzw. 62 umfassen, durch welche eine Sehne 64 gefädelt oder geführt ist. Bei dieser Ausführungsform weist das elastische Element 52 eine allgemein rechteckige Konfiguration auf und kann auch ein Element aus einem Stück sein. Das elastische Element 52 umfasst auch einen schmalen Mittelabschnitt 58, der mit den Endabschnitten 54 und 56 verbunden ist und diese trennt, wobei sich die Sehne 64 entlang des Mittelabschnitts 58 erstreckt. Ein oberer Dehnungsmessstreifen 68 ist an dem Mittelabschnitt 58 montiert und ist mit oberen Kontakten 68 und 70 an einer oberen Oberfläche des Mittelabschnitts 58 benachbart zu der Sehne 62 gekoppelt. Wie zuvor bewirkt eine Spannung an der Sehne 64, dass sich der Mittelabschnitt 58 verbiegt, was von dem Dehnungsmessstreifen 66 gemessen werden kann. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform weist das elastische Element 52 eine Länge von etwa 2,54 cm (1 inch), etwa 0,63 cm (0,25 inch) Höhe und etwa 0,63 cm (0,25 inch) Breite auf.
4(a)–4(c) sind eine Ansicht von oben, von der Seite bzw. von unten des elastischen Elements 52. Die Ansicht von oben des elastischen Elements 52 zeigt den Dehnungsmessstreifen 66 und die Ansicht von unten des elastischen Elements 52 zeigt einen weiteren Dehnungsmessstreifen 80, der Kontakte 82 und 84 umfasst. Drähte 86 und 88 sind mit den Kontakten 68 bzw. 70 elektrisch gekoppelt, ein Draht 92 ist mit dem Kontakt 82 elektrisch gekoppelt und ein Draht 90 ist mit den Kontakten 68 und 84 elektrisch gekoppelt. Somit können die von den Dehnungsmessstreifen 66 und 80 bereitgestellten Messungen an einen (nicht gezeigten) Controller ausgegeben werden, der den Betrieb des Roboterarms 10 steuert.
Die vorstehende Erörterung offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann wird aus dieser Erörterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen darin vorgenommen werden können, ohne von dem erfinderischen Gedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Sehnenspannungssensor, der umfasst: einen ersten Endabschnitt, der einen ersten gebogenen Kanal umfasst; einen zweiten Endabschnitt, der einen zweiten gebogenen Kanal umfasst; einen schmalen Mittelabschnitt, der mit den ersten und zweiten Endabschnitten gekoppelt ist und sich dazwischen befindet; und mindestens einen Dehnungsmessstreifen, der an dem Mittelabschnitt montiert ist, wobei die ersten und zweiten gebogenen Kanäle dazu dienen, eine ununterbrochene Länge einer Sehne derart aufzunehmen, dass eine Spannung an der Sehne bewirkt, dass sich der Mittelabschnitt verbiegt, was von dem mindestens einen Dehnungsmessstreifen gemessen werden kann.
Spannungssensor nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Endabschnitte eine allgemein abgerundete Konfiguration aufweisen.
Spannungssensor nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Endabschnitte eine allgemein rechteckige Konfiguration aufweisen.
Spannungssensor nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Dehnungsmessstreifen ein erster Dehnungsmessstreifen, der an einer Seite des Mittelabschnitts montiert ist, und ein zweiter Dehnungsmessstreifen ist, der an einer gegenüberliegenden Seite des Mittelabschnitts montiert ist.
Spannungssensor nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Endabschnitte und der Mittelabschnitt ein elastisches Element aus einem Stück bilden.
Spannungssensor nach Anspruch 5, wobei das elastische Element aus einem Stück ein Aluminiumelement ist.
Spannungssensor nach Anspruch 1, wobei der Spannungssensor eine Länge von etwa 2,54 cm, eine Breite von etwa 0,63 cm und eine Höhe von etwa 0,63 cm aufweist.
Spannungssensor nach Anspruch 1, wobei der Spannungssensor die Spannung an einer Sehne in einem Roboterarm misst.
Spannungssensor nach Anspruch 8, wobei die Sehne eine Greifkraft eines Fingers des Roboterarms steuert.
Sehnenspannungssensor, der umfasst: ein elastisches Element aus einem Stück mit einem ersten Endabschnitt, der einen ersten gebogenen Kanal enthält, einem zweiten Endabschnitt, der einen zweiten gebogenen Kanal enthält, und einem verengten Mittelabschnitt, der mit den ersten und zweiten Endabschnitten gekoppelt ist und sich dazwischen befindet; und einen ersten Dehnungsmessstreifen, der an einer Oberfläche des Mittelabschnitts montiert ist, und einen zweiten Dehnungsmessstreifen, der an einer gegenüberliegenden Oberfläche des Mittelabschnitts montiert ist, wobei die ersten und zweiten gebogenen Kanäle eine ununterbrochene Länge einer Sehne derart aufnehmen, dass eine Spannung an der Sehne bewirkt, dass sich der Mittelabschnitt verbiegt, was von den ersten und zweiten Dehnungsmessstreifen gemessen werden kann.
Spannungssensor nach Anspruch 10, wobei die ersten und zweiten Endabschnitte eine allgemein abgerundete Konfiguration aufweisen.
Spannungssensor nach Anspruch 10, wobei die ersten und zweiten Endabschnitte eine allgemein rechteckige Konfiguration aufweisen.
Spannungssensor nach Anspruch 10, wobei das elastische Element aus einem Stück ein Aluminiumelement ist.
Spannungssensor nach Anspruch 10, wobei der Spannungssensor eine Länge von etwa 2,54 cm, eine Breite von etwa 0,63 cm und eine Höhe von etwa 0,63 cm aufweist.
Spannungssensor nach Anspruch 10, wobei der Spannungssensor die Spannung an einer Sehne in einem Roboterarm misst.
Spannungssensor nach Anspruch 15, wobei die Sehne eine Greifkraft eines Fingers des Roboterarms steuert.
Sehnenspannungssensor zur Messung der Spannung an einer Sehne, die eine Greifkraft eines Fingers in einem Roboterarm steuert, wobei der Spannungssensor umfasst: ein elastisches Element, das einen allgemeinen abgerundeten ersten Endabschnitt mit einem ersten gebogenen Kanal, einen allgemein abgerundeten zweiten Endabschnitt mit einem zweiten gebogenen Kanal und einen verengten Mittelabschnitt umfasst, der mit den ersten und zweiten Endabschnitten gekoppelt ist und sich dazwischen befindet; und mindestens einen Dehnungsmessstreifen, der an dem Mittelabschnitt montiert ist, wobei die Sehne durch die ersten und zweiten gebogenen Kanäle derart geführt ist, dass eine Spannung an der Sehne bewirkt, dass sich der Mittelabschnitt verbiegt, was von dem mindestens einen Dehnungsmessstreifen gemessen werden kann.
Spannungssensor nach Anspruch 17, wobei der mindestens eine Dehnungsmessstreifen ein erster Dehnungsmessstreifen, der an einer Seite des Mittelabschnitts montiert ist, und ein zweiter Dehnungsmessstreifen ist, der an einer gegenüberliegenden Seite des Mittelabschnitts montiert ist.
Spannungssensor nach Anspruch 17, wobei das elastische Element ein Aluminiumelement ist.
Spannungssensor nach Anspruch 17, wobei der Spannungssensor eine Länge von etwa 2,54 cm, eine Breite von etwa 0,63 cm und eine Höhe von etwa 0,63 cm aufweist.