DE102009052478A1

DE102009052478A1 - Erfassen der Sehnenspannung durch die Leitungsreaktionskräfte

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Publication number: DE102009052478A1
Application number: DE102009052478A
Authority: DE
Inventors: Muhammad E. Houston Abdallah; Lyndon Houston Bridgwater; Myron A. Houston Diftler; Martin Linn White Lake Douglas; Charles W. Birmingham Wampler II.; Robert Houston Platt
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: US8056423B2; DE102009052478B4; US20100121222A1; JP2010117347A; JP4967007B2

Abstract

Eine Technik, die die Spannung in einer Sehne unter Verwendung einer Leitungsreaktionskraft bestimmt, welche auf ein Ende einer Leitung aufgebracht wird, durch welche die Sehne hindurch gefädelt ist. Es kann ein beliebiger geeigneter Sehnenspannungssensor eingesetzt werden, der die Leitungsreaktionskraft für diesen Zweck verwendet. Bei einer Ausführungform ohne Einschränkung umfasst der Sehnenspannungssensor ein zylindrisches Dehnungsmessstreifenelement und ein Kraftelement, das an einem Ende der Leitung montiert ist. Das Kraftelement umfasst einen zylindrischen Abschnitt mit einer Bohrung und einen Scheibenabschnitt, wobei der zylindrische Abschnitt in eine Bohrung in dem Dehnungsmessstreifenelement eingeführt ist. Die Sehne ist durch das Dehnungsmessstreifenelement und das Kraftelement hindurch gefädelt. Ein Dehnungsmessstreifen ist an dem Dehnungsmessstreifenelement montiert und misst die Reaktionskraft, wenn eine Spannung an der Sehne bewirkt, dass das Dehnungsmessstreifenelement gegen das Kraftelement gedrückt wird.

Description

AUSSAGE HINSICHTLICH VON DER REGIERUNG GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Die hier beschriebene Erfindung kann von der oder für die US-Regierung für Zwecke der US-Regierung (d. h. nicht kommerzielle Zwecke) 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 zum Messen der Spannung an einer Sehne unter Verwendung von Leitungsreaktionskräften an einer Leitung, durch welche die Sehne hindurch gefädelt ist, und insbesondere einen Sehnenspannungssensor zum Messen der Spannung an einer Sehne in einer Roboterhand, wobei der Sensor an einem Ende einer Leitung montiert ist, durch welche die Sehne hindurch gefädelt ist, und wobei der Sensor Leitungsreaktionskräfte an der Leitung misst.
2. Erörterung der verwandten Technik
In der Technik sind geschickte Robotersysteme bekannt, die eine Vielfalt von Funktionen ausführen. Ein geschicktes Robotersystem umfasst typi scherweise einen Roboterarm, der eine Roboterhand mit Fingern und zugehörige Gelenke aufweist, die zum Greifen eines Objekts oder Teils für eine spezielle Anwendung dienen. Bei einem Entwurf für ein geschicktes Robotersystem werden Sehnen eingesetzt, um die Finger zu betätigen, wobei die Sehnen mit den Fingergelenken gekoppelt sind. Die Stellglieder, welche die Sehnen zum Bewegen der Finger betätigen, sind typischerweise im Unterarmbereich des Roboterarms positioniert. Sehnen verlaufen von den Stellgliedern zu den Fingergelenken, an denen sie angebracht sind. Typischerweise werden zwei Sehnen benötigt, um ein einziges Gelenk des Fingers zu betätigen, eine Sehne zum Schließen des Fingers und eine weitere Sehne zum Öffnen des Fingers.
Die Sehnen sind manchmal durch eine Leitung gefädelt, welche die Gelenkbetätigung von Konfigurationsänderungen isoliert, die zwischen dem Stellglied und dem Gelenk auftreten. Die Leitung bringt Reaktionskräfte auf ihre Stützstruktur auf, die zum Wirken gegen die Sehnenkräfte dient. Dies hält die Stellgliedgelenkkräfte von einer Störung oberstromiger Gelenke in Ansprechen auf ein Drehmoment ab, das von dem Gelenk bereitgestellt wird. Ferner hält die Leitung die Länge der Sehne konstant. Wenn sich daher das Handgelenk des Roboterarms bewegt, hält die Leitung die Länge der Sehne konstant, sodass sich die Finger nicht bewegen.
Um den Kreis bei einer Roboterfingerkraftregelung zu schließen, wird eine Rückmeldung für die Sehnenspannung benötigt. Es hat sich gezeigt, dass ein direktes Erfassen der Sehnenspannung eine Herausforderung ist. Mehrere Faktoren tragen zu dieser Herausforderung bei, welche das Bereitstellen einer Stelle unterstromig einer größeren Reibungskraft umfasst, wobei der Platz in der unterstromigen Roboteranordnung, typischerweise einer Roboterhandfläche, streng begrenzt ist. Außerdem ist die Sehne nicht stationär.
Eine bekannte Technik zum Messen einer Spannung in einer Robotersehne setzt einen Dehnungsmessstreifensensor zum Messen der Zugverformung der Sehne ein. Jedoch kann der Bereich von Zugkräften, die bei Roboteranwendungen auftreten, so klein sein, dass Dehnungsmessstreifensensoren möglicherweise nicht empfindlich genug sind, um einen genauen Messwert bereitzustellen. Auch misst der Dehnungsmessstreifensensor die Verformung der Sehne nicht, sondern setzt ein Dehnungselement ein, um eine Biegung in die Sehne einzuführen, sodass eine größere Sehnenspannung zu einer größeren Dehnung in dem Element führt. Jedoch ist typischerweise nicht genügend Raum für einen derartigen Sensor vorhanden.
Auf dem Gebiet ist es auch bekannt, Lastzellen zum Messen der Spannung zu verwenden. Jedoch sind kommerziell verfügbare Lastzellen typischerweise für Roboteranwendungen zu groß, insofern, als sie nicht auf angemessene Weise im Inneren eines Roboterarms untergebracht werden können.
Ein weiteres bekanntes Konzept setzt ein S-förmiges elastisches Element ein, an dem 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 gekoppelt, sodass eine Spannung an der Sehne bewirkt, dass sich das S-förmige Element verformt. Dieses Konzept erfordert ein Zerschneiden der Sehne und das Element weist einen relativ großen Durchmesser auf. Auch dieses Konzept stellt ein Platzmangelproblem dar und weist Drähte auf, die im Raum hängen und an einem sich bewegenden Stück angebracht sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird eine Technik offenbart, welche die Spannung in einer Sehne unter Verwendung einer Leitungsreaktionskraft bestimmt, die auf eine Leitung aufgebracht wird, durch welche die Sehne hindurch gefädelt ist. Es kann ein beliebiger geeigneter Sehnenspannungssensor eingesetzt werden, der die Leitungsreaktionskraft für diesen Zweck verwendet. Bei einer Ausführungsform ohne eine Einschränkung umfasst der Sehnenspannungssensor ein zylindrisches Dehnungsmessstreifenelement und ein Kraftelement, das an einem Ende der Leitung montiert ist. Das Kraftelement umfasst einen zylindrischen Abschnitt mit einer Bohrung und einem Scheibenabschnitt, wobei der zylindrische Abschnitt in eine Bohrung in dem Dehnungsmessstreifenelement eingeführt ist. Die Sehne ist durch das Dehnungsmessstreifenelement und das Kraftelement hindurch gefädelt. Ein Dehnungsmessstreifen ist an dem Dehnungsmessstreifenelement montiert und misst die Reaktionskraft, wenn eine Spannung an der Sehne bewirkt, dass das Dehnungsmessstreifenelement gegen das Kraftelement gedrückt wird.
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 perspektivische Ansicht einer Roboterhand und eines Roboterhandgelenks, die durch Leitungen hindurch gefädelte Sehnen zeigt, welche Finger der Roboterhand betätigen;
2 ist eine baustatische Skizze einer Sehne;
3 ist eine baustatische Skizze einer Leitung, durch welche die Sehne hindurch gefädelt ist;
4 ist eine Draufsicht auf eine Kraft, die in Ansprechen auf eine Spannung an einer Sehne, welche durch eine Leitung hindurch gefädelt ist, auf die Leitung aufgebracht wird;
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Sehnenspannungssensors, der an einem Kabel montiert ist;
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Dehnungsmesselements, das mit dem in 5 gezeigten Sensor verbunden ist; und
7 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Dehnungsmesselements für einen Sehnenspannungssensor.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Sehnenspannungssensor für einen Roboterarm gerichtet ist, welcher eine reaktive Kraft an einer Leitung misst, durch welche die Sehne hindurch gefädelt ist, ist rein beispielhafter Natur und ist keinesfalls dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken. Zum Beispiel findet die vorliegende Erfindung eine Anwendung zum Messen der Spannung an einer Sehne in einem Roboterarm. Wie der Fachmann jedoch feststellt, wird der Sehnenspannungssensor andere Anwendungen aufweisen.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Roboterarms 10, der eine Roboterhand 12 und ein Roboterhandgelenk 14 umfasst, welche durch ein Drehgelenk 16 relativ zueinander drehbar sind. Die Roboterhand 12 umfasst Roboterfinger 18 und eine Roboterhandfläche 20. Die Roboterfinger 18 umfassen eine Vielzahl von Gelenken 22, die betätigbar sind, um es der Roboterhand 12 zu ermöglichen, gewisse Komponenten zu greifen, wie auf dem Gebiet gut verstanden wird. Sehnen 24 sind mit den Gelenken 22 gekoppelt und sind durch ein (nicht gezeigtes) geeignetes Stellglied, etwa einen Motor, betätigbar, das an der Sehne 24 zieht, um die Gelenke 22 zu schließen oder zu öffnen. Jede Sehne 24 verläuft durch eine Leitung 26 des vorstehend erörterten Typs, wobei die Leitungen 26 wie gezeigt durch das Handgelenk 14 und die Handfläche 20 verlaufen. Die Arbeitsweise eines Roboterarms in dieser Ausgestaltung wird von Fachleuten gut verstanden.
2 ist eine baustatische Skizze eines Kabels 30 und 3 ist eine baustatische Skizze einer Leitung 32, welche die Sehne 24 bzw. die Leitung 26 darstellen sollen. Diese baustatischen Skizzen zeigen, dass eine lokale Leitungsreaktionskraft P_i an dem Ende der Leitung 32 die zugehörige lokale Sehnenspannung T_i an der Sehne 30 sowohl in der Richtung als auch in der Größe genau vorhersagt. Die Genauigkeit dieser Näherung nimmt zu, wenn die Sehnenlast zunimmt. Was diese Skizzen daher zeigen und was von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, ist, dass die Leitungsreaktionskraft P_i in Ansprechen auf eine Spannung an den Sehnen 24 als eine Technik zum Messen der Sehnenspannung in dem Roboterarm 10 verwendet werden kann.
4 zeigt eine Kraftskizze 40, die eine Sehne 42 umfasst, welche durch eine Leitung 44 hindurch gefädelt ist, die die Leitungsreaktionskraft veranschaulicht, auf die vorstehend Bezug genommen wurde. Speziell bewirkt eine Zugkraft an der Sehne 42 als eine Folge einer Betätigung der Sehne 42 zum Bewegen eines Robotergelenks eine Reaktionskraft an einem Ende der Leitung 44 auf eine Scheibe 46.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Technik vor, welche die Spannung in einer Sehne unter Verwendung der Leitungsreaktionskraft bestimmt, die auf eine Leitung aufgebracht wird, durch welche die Sehne hindurch gefädelt ist. Es kann ein beliebiger geeigneter Sehnenspannungssensor eingesetzt werden, der die Leitungsreaktionskraft für diesen Zweck verwendet.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Sehnenspannungssensors 50 als eine geeignete Ausführungsform ohne eine Einschränkung, der die Spannung an einer Sehne 52, welche durch eine Leitung 54 hindurch gefädelt ist, unter Verwendung der vorstehend erörterten Leitungsreaktionskraft misst. Der Spannungssensor 50 umfasst ein zylindrisches Kraftstück 56, das an ein Ende der Leitung 54 gefädelt oder anderweitig montiert ist. Das Kraftstück 56 umfasst einen zylindrischen Abschnitt 58 und eine Kraftscheibe 60. Ein zylindrisches Dehnungsmessstreifenelement 62 mit einer Innenbohrung 64 ist an dem Kraftstück 56 dadurch montiert, dass der zylindrische Abschnitt 58 in die Bohrung 64 hineingeschoben ist. 6 ist eine perspektivische Ansicht des Dehnungsmessstreifenelements 62, das von dem Sensor 50 getrennt ist. Das Dehnungsmessstreifenelement 62 umfasst ein zylindrisches Körperelement 66 mit vier symmetrischen muschelförmigen Abschnitten 68, die aus den Seiten des Körperelements 66 herausgeschnitten sind. Ein Dehnungsmessstreifenpaar 70 und 72 ist an einem der muschelförmigen Abschnitte 68 positioniert, wobei der Dehnungsmessstreifen 70 eine Dehnung in eine Längsrichtung misst und der Dehnungsmessstreifen 72 eine Dehnung in eine Querrichtung misst. Eine Spannkraft an der Sehne 52 zieht daher das Kraftstück 56 in das Dehnungsmessstreifenelement 62 hinein, was eine Kompression des Dehnungsmessstreifenelements in Ansprechen auf die Leitungsreaktionskraft bewirkt, welche von den Dehnungsmessstreifen 70 und 72 gemessen wird. Die Dehnungsmessstreifen 70 und 72 stellen ein elektrisches Signal an (nicht gezeigten) Drähten bereit, welches die Spannung angibt. Wie vorstehend erörtert wurde, ist die Leitungsreaktionskraft eine genaue Prognose der Spannung der Sehne 52.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Dehnungsmessstreifenelements 80 gemäß einer weiteren Ausführungsform, das das Dehnungsmessstreifenelement 62 ersetzen kann. Das Dehnungsmessstreifenelement 80 umfasst eine Innenbohrung 82, die das Element 56 wie vorstehend erörtert aufnimmt. Das Dehnungsmessstreifenelement 80 umfasst auch ein zylindrisches Körperelement 84 mit gegenüberliegenden ausgeschnittenen Abschnitten 86 und 88, die mit der Innenbohrung 82 in Verbindung stehen. Die ausgeschnittenen Abschnitte 86 und 88 definieren gegenüberliegende Säulen 90 und 92. Dehnungsmessstreifen 94 und 96 sind an gegenüberliegenden Seiten der Säule 90 montiert.
Eine Spannung an der Sehne 52 stellt eine axiale Last bereit, die durch die nicht zentrierte Säule 90 in ein Biegemoment umgesetzt wird. Das Biegemoment erzeugt eine Oberfläche in Kompression und eine Oberfläche in Ausdehnung. Die Dehnungsmessstreifen 94 und 96 messen die Kompressionskraft und die Ausdehnungskraft. Dies verdoppelt die Signalstärke und erreicht eine Temperaturkompensation ohne zusätzliche nicht zugängliche Messeinrichtungen. Die montierten Oberflächen liegen beide innerhalb einer zylindrischen Ummantelung, die durch das Element 80 bereitgestellt wird, welche die Dehnungsmessstreifen 94 und 96 vor einem physikalischen Kontakt mit der Handfläche 20 schützt.
Die vorstehende Erörterung offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Aus dieser Erörterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen wird der Fachmann leicht erkennen, dass verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Variationen darin vorgenommen werden können, ohne den Geist und den Umfang der Erfindung zu verlassen, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Sensor zum Messen einer Spannung an einer Sehne, wobei die Sehne durch eine Leitung hindurch und aus einem Ende derselben heraus verläuft, wobei der Sensor umfasst: ein Kraftelement, das einen zylindrischen Abschnitt und einen Scheibenabschnitt, der an dem Ende der Leitung montiert ist, umfasst, wobei der zylindrische Abschnitt eine Innenbohrung umfasst und die Sehne durch die Innenbohrung des zylindrischen Abschnitts hindurch verläuft; und ein Dehnungsmessstreifenelement, das einen zylindrischen Körper mit einer Innenbohrung umfasst, wobei der zylindrische Abschnitt des Kraftelements in die Innenbohrung des zylindrischen Körpers des Dehnungsmessstreifenelements eingeführt ist und die Sehne auch durch die Innenbohrung des zylindrischen Elements hindurch verläuft, wobei das Dehnungsmessstreifenelement mindestens einen daran montierten Dehnungsmessstreifen umfasst, wobei der mindestens eine Dehnungsmessstreifen eine Leitungsreaktionskraft an dem Ende der Leitung misst, die dadurch verursacht wird, dass das Dehnungsmessstreifenelement in Ansprechen auf eine Spannung an der Sehne gegen den Scheibenabschnitt drückt.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die Sehne eine Sehne in einer Roboterhand ist, die ein Roboterfingergelenk bewegt.
Sensor zum Messen einer Spannung an einer Sehne in einer Roboterhand, wobei die Sehne durch eine Leitung in der Roboterhand hindurch und aus einem Ende derselben heraus in einen Roboterfinger in der Hand hinein verläuft, wobei der Sensor umfasst: ein Kraftelement, das an dem Ende der Leitung montiert ist, wobei die Sehne durch das Kraftelement hindurch verläuft; und ein Dehnungsmessstreifenelement, das an dem Kraftelement montiert ist, wobei die Sehne durch das Dehnungsmessstreifenelement hindurch verläuft und das Dehnungsmessstreifenelement mindestens einen daran montierten Dehnungsmessstreifen umfasst, wobei der mindestens eine Dehnungsmessstreifen eine Leitungsreaktionskraft an dem Ende der Leitung misst, die dadurch verursacht wird, dass das Dehnungsmessstreifenelement in Ansprechen auf eine Spannung an der Sehne gegen das Kraftelement drückt.
Sensor nach Anspruch 3, wobei das Kraftelement einen zylindrischen Abschnitt und einen Scheibenabschnitt umfasst, wobei der zylindrische Abschnitt eine Innenbohrung umfasst, durch welche die Sehne hindurch verläuft.
Sensor nach Anspruch 3, wobei das Dehnungsmessstreifenelement einen zylindrischen Körper mit einer Innenbohrung umfasst, durch welche die Sehne hindurch verläuft.
Sensor nach Anspruch 1 oder 5, wobei das Dehnungsmessstreifenelement ausgeschnittene Abschnitte in dem zylindrischen Körper umfasst, die gegenüberliegende Säulen definieren, wobei der mindestens eine Dehnungsmessstreifen an einer der Säulen montiert ist, wobei vorzugsweise der mindestens eine Dehnungsmessstreifen aus zwei Dehnungsmessstreifen besteht, die an gegenüberliegenden Seiten einer der Säulen montiert sind, wobei einer der Deh nungsmessstreifen eine Kompression misst und der andere Dehnungsmessstreifen eine Ausdehnung in Ansprechen auf eine Biegebewegung des Dehnungsmessstreifenelements von der Leitungsreaktionskraft misst, und/oder wobei das Dehnungsmessstreifenelement abgeflachte Abschnitte in dem zylindrischen Körper umfasst, wobei der mindestens eine Dehnungsmessstreifen an einen der abgeflachten Abschnitte in dem zylindrischen Körper montiert ist, wobei vorzugsweise der mindestens eine Dehnungsmessstreifen aus zwei Dehnungsmessstreifen besteht, die an einen abgeflachten Abschnitt montiert und entgegengesetzt orientiert sind, um eine Dehnung in entgegengesetzte Richtungen in dem Dehnungsmessstreifenelement zu messen.
Sensor zum Messen einer Spannung an einer Sehne, wobei die Sehne durch eine Leitung hindurch und aus einem Ende derselben heraus verläuft, wobei der Sensor ein Kraftelement umfasst, das an dem Ende der Leitung montiert ist, wobei das Kraftelement auf eine Leitungsreaktionskraft an dem Ende der Leitung in Ansprechen auf eine Spannung an der Sehne anspricht, wobei der Sensor die Leitungsreaktionskraft misst.
Sensor nach Anspruch 7, der ferner ein Dehnungsmessstreifenelement umfasst, das an dem Kraftelement montiert ist, wobei das Dehnungsmessstreifenelement mindestens einen daran montierten Dehnungsmessstreifen umfasst und der mindestens eine Dehnungsmessstreifen die Leitungsreaktionskraft an dem Ende der Leitung misst, welche dadurch verursacht wird, dass das Dehnungsmessstreifenelement in Ansprechen auf die Spannung an der Sehne gegen das Kraftelement drückt, wobei vorzugsweise das Kraftelement einen zylindrischen Abschnitt und einen Scheibenabschnitt umfasst, wobei der zylindrische Abschnitt eine Innenbohrung umfasst und die Sehne durch die Innenbohrung des zylindrischen Abschnitts hindurch verläuft.
Sensor nach Anspruch 8, wobei das Dehnungsmessstreifenelement einen zylindrischen Körper mit einer Innenbohrung umfasst, wobei der zylindrische Abschnitt des Kraftelements in die zylindrische Bohrung des zylindrischen Körpers des Dehnungsmessstreifenelements eingeführt ist und die Sehne auch durch die Innenbohrung des zylindrischen Körpers hindurch verläuft.
Sensor nach Anspruch 9, wobei das Dehnungsmessstreifenelement abgeflachte Abschnitte in dem zylindrischen Körper umfasst, wobei mindestens ein Dehnungsmesser an einem der abgeflachten Abschnitte in dem zylindrischen Körper montiert ist, und/oder wobei das Dehnungsmessstreifenelement ausgeschnittene Abschnitte in dem zylindrischen Körper umfasst, die gegenüberliegende Säulen definieren, wobei der mindestens eine Dehnungsmessstreifen an einer der Säulen montiert ist, wobei vorzugsweise der mindestens eine Dehnungsmessstreifen aus zwei Dehnungsmessstreifen besteht, die an gegenüberliegenden Seiten einer der Säulen montiert sind, wobei einer der Dehnungsmessstreifen eine Kompression misst und der andere Dehnungsmessstreifen eine Ausdehnung in Ansprechen auf eine Biegebewegung des Dehnungsmessstreifenelements von der Leitungsreaktionskraft misst.