DE102010045525B4

DE102010045525B4 - Handgelenk eines geschickten humanoiden Roboters

Info

Publication number: DE102010045525B4
Application number: DE102010045525.3A
Authority: DE
Inventors: Chris A. Ihrke; Lyndon Bridgwater; David M. Reich; Charles W. Wampler II.; Scott R. Askew; Myron A. Diftler; Vienny Nguyen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: Usa As Represented By Administrator Us; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2020-12-10
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: JP2011067933A; US8498741B2; US20110071671A1; JP5388966B2; DE102010045525A1

Abstract

Handgelenkanordnung (C), die zwischen einem Unterarm (24) und einer Hand (18) eines humanoiden Roboters (10) funktional definiert ist, wobei die Handgelenkanordnung (C) umfasst:ein Paar von Gliedern (40), welche den Unterarm (24) und die Hand (18) funktional verbinden;wobei sich die Glieder (40) in einer beabstandeten und allgemein parallelen Beziehung zueinander erstrecken;ein Paar linearer Stellglieder (38), die den Unterarm (24) und ein jeweiliges des Paars von Gliedern (40) verbinden;eine Gierachse (C2);eine Nickachse (C1), die zu der Gierachse (C2) in einer beabstandeten und allgemein rechtwinkligen Beziehung angeordnet ist;wobei die Nickachse (C1) zwischen der Gierachse (C2) und dem Unterarm (24) derart angeordnet ist, dass sich die Nickachse (C1) und die Gierachse (C2) nicht schneiden;wobei die Hand (18) relativ zum Unterarm (24) sowohl um die Gierachse (C2) als auch die Nickachse (C1) drehbar ist;wobei jedes der linearen Stellglieder (40) für eine unabhängige lineare Bewegung relativ zum Unterarm (24) derart ausgestaltet ist, dass sich das jeweilige des Paars von Gliedern (40) in Ansprechen auf eine Bewegung des linearen Stellglieds (38) bewegt, um die Hand (18) um die Gierachse (C2) und/oder die Nickachse (C1) zu bewegen;wobei das Paar linearer Stellglieder (38) ausgestaltet ist, um sich in die gleiche Richtung derart zu bewegen, dass sich die Hand (18) zumindest um die Nickachse (C1) dreht; undwobei das Paar linearer Stellglieder (38) ausgestaltet ist, um sich in entgegengesetzte Richtungen derart zu bewegen, dass sich die Hand (18) zumindest um die Gierachse (C2) dreht.

Description

AUSSAGE HINSICHTLICH STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung unter dem NASA Space Act Agreement mit der Nummer SAA-AT-07-003 durchgeführt. Die Regierung kann einige Rechte an der Erfindung besitzen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Handgelenk eines humanoiden Roboters.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Roboter sind automatisierte Einrichtungen, die zum Manipulieren von Objekten unter Verwendung einer Reihe von starren Gliedern in der Lage sind, welche wiederum über Gelenkverbindungen oder motorgetriebene Robotergelenke miteinander verbunden sind. Jedes Gelenk in einem typischen Roboter stellt eine unabhängige Steuerungsvariable dar, die auch als ein Freiheitsgrad (DOF) bezeichnet wird. Greiforgane sind die speziellen Glieder, die zum Ausführen einer anstehenden Aufgabe verwendet werden, z.B. zum Ergreifen eines Arbeitswerkzeugs oder eines Objekts. Eine präzise Bewegungssteuerung eines Roboters kann daher durch die Ebene der Aufgabenbeschreibung gegliedert sein: eine Steuerung auf Objektebene, d.h. die Fähigkeit zur Steuerung des Verhaltens eines Objekts, das in einem Einzelgriff oder einem zusammenwirkenden Griff eines Roboters gehalten wird, eine Greiforgansteuerung und eine Steuerung auf Gelenkebene. Die verschiedenen Steuerungsebenen wirken zusammen, um gemeinsam die benötigte Mobilität, Geschicklichkeit und arbeitsaufgabenbezogene Funktionalität des Roboters zu erreichen.
Humanoide Roboter sind insbesondere Roboter, die eine annähernd menschliche Gestalt oder ein annähernd menschliches Erscheinungsbild aufweisen, sei es ein vollständiger Körper, ein Torso und/oder eine Gliedmaße, wobei die strukturelle Komplexität des humanoiden Roboters zu einem großen Teil vom Wesen der Arbeitsaufgabe, die ausgeführt wird, abhängt. Die Verwendung humanoider Roboter kann dort bevorzugt sein, wo eine direkte Interaktion mit Einrichtungen oder Systemen benötigt wird, die speziell für den menschlichen Gebrauch hergestellt sind. Aufgrund des breiten Spektrums von Arbeitsaufgaben, die von einem humanoiden Roboter möglicherweise erwartet werden, kann es sein, dass verschiedene Steuerungsmodi gleichzeitig benötigt werden. Zum Beispiel muss eine präzise Steuerung in den verschiedenen oben angegebenen Räumen sowie eine Kontrolle über das angewendete Drehmoment oder die angewendete Kraft, die Bewegung und die verschiedenen Grifftypen angewendet werden.
Um eine menschliche Bewegung anzunähern, benötigt jedes Hauptgelenk im Roboter, wie etwa Taillen- oder Armgelenke, mindestens ein Stellglied für jeden Freiheitsgrad. Bei einer Hand mit vielen Fingern jedoch kann es vorteilhaft sein, einige Kombinationen von Fingergelenken von einem gemeinsamen Stellglied aus anzutreiben, so dass es weniger Stellglieder als Fingergelenke gibt.
Dennoch wird eine hochgradig geschickte Hand eine Vielzahl von Stellgliedern aufweisen, möglicherweise zwölf oder mehr, um eine Vielfalt von Greifkonfigurationen und eine Feinmanipulation von ergriffenen Objekten zu ermöglichen. Zudem müssen diese Stellglieder in einer Anordnung verpackt sein, die eine menschliche Gestalt und ein menschliches Erscheinungsbild annähernd darstellt.
US 4 986 723 A offenbart einen antropomorphen Roboterarm mit einem zwischen einer Roboterhand und einem Roboterunterarm angeordneten Handgelenk, das eine Gierachse und eine zwischen der Gierachse und dem Roboterunterarm angeordnete Nickachse aufweist. Die Gierachse verläuft rechtwinklig zur Nickachse.
In US 5 447 403 A ist ein aus einem Roboterarm und einer Roboterhand bestehender programmierbarer Roboter offenbart, der mithilfe eines Steuerungshandschuhs gesteuert werden kann. Die Roboterhand ist über eine Nickachse und eine Gierachse mit dem Roboterarm verbunden, wobei die Gierachse zwischen der Nickachse und dem Roboterarm angeordnet ist und rechtwinklig zu dieser verläuft.
US 7 296 835 B2 offenbart eine Roboterhand und einen Roboterarm, die durch ein Handgelenk mit zwei in einer Ebene liegenden Achsen verbunden sind. Die Roboterhand wird mithilfe von zwei Luftzylinderstellgliedern relativ zum Roboterarm bewegt.
In WO 2003/ 080 297 A1 ist eine durch Luftmuskeln betätigte humanoide Roboterhand offenbart, die über ein Universalgelenk mit zwei rechtwinklig zueinander in einer Ebene verlaufenden Achsen mit einem Roboterunterarm gekoppelt ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Handgelenksanordnung für einen Roboter bereitzustellen, die eine gute Annäherung von Bewegungen einer zugehörigen Roboterhand an menschliche Bewegungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Handgelenksanordnung nach Anspruch 1 gelöst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend wird hier eine Handgelenkanordnung bereitgestellt, die zwischen einem Unterarm und einer Hand eines humanoiden geschickten Roboters funktional definiert ist. Die Handgelenkanordnung umfasst eine Gierachse und eine Nickachse. Die Nickachse ist zu der Gierachse in einer beabstandeten Beziehung derart angeordnet, dass die Achsen allgemein rechtwinklig zueinander verlaufen. Die Nickachse erstreckt sich zwischen der Gierachse und dem Unterarm. Die Hand ist relativ zum Unterarm sowohl um die Gierachse als auch die Nickachse drehbar.
Bei einem anderen Aspekt umfasst eine Armanordnung eines humanoiden geschickten Roboters einen Unterarm, eine Hand, eine Handgelenkanordnung und ein Steuerungssystem. Die Hand ist relativ zum Unterarm drehbar. Die Handgelenkanordnung ist zwischen dem Unterarm und der Hand funktional definiert. Die Handgelenkanordnung umfasst eine Gierachse und eine Nickachse. Die Nickachse ist zu der Gierachse in einer beabstandeten Beziehung derart angeordnet, dass die Achsen allgemein rechtwinklig zueinander verlaufen. Die Nickachse erstreckt sich zwischen der Gierachse und dem Unterarm. Die Hand ist relativ zum Unterarm sowohl um die Gierachse als auch die Nickachse drehbar. Das Steuerungssystem ist ausgestaltet, um einen Gierwinkel und einen Nickwinkel der Handgelenkanordnung zu bestimmen.
Bei noch einem anderen Aspekt umfasst ein humanoider Roboter einen Torso, ein Armpaar, einen Nacken, einen Kopf, eine Handgelenkanordnung und ein Steuerungssystem. Die Arme erstrecken sich bewegbar vom Torso weg. Jeder der Arme umfasst einen Unterarm und eine Hand, die relativ zum Unterarm drehbar ist. Der Nacken erstreckt sich bewegbar vom Torso weg. Der Kopf erstreckt sich bewegbar vom Nacken weg. Die Handgelenkanordnung ist zwischen dem Unterarm und der Hand funktional definiert. Die Handgelenkanordnung umfasst eine Gierachse und eine Nickachse. Die Nickachse ist zu der Gierachse in einer beabstandeten Beziehung derart angeordnet, dass die Achsen allgemein rechtwinklig zueinander verlaufen. Die Nickachse erstreckt sich zwischen der Gierachse und dem Unterarm. Die Hand ist relativ zum Unterarm sowohl um die Gierachse als auch die Nickachse drehbar. Das Steuerungssystem ist ausgestaltet, um einen Gierwinkel und einen Nickwinkel der Handgelenkanordnung zu bestimmen.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung eines geschickten humanoiden Roboters gemäß der Erfindung;
2 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung eines Oberarms für den geschickten humanoiden Roboter von 1;
3 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung eines Unterarms für den geschickten humanoiden Roboter von 1 und 2;
4 ist eine schematische Veranschaulichung einer Rückenansicht des Unterarms für den geschickten humanoiden Roboter von 1 und 3 mit Gliedern zum Bewegen einer Hand;
4A ist eine vergrößerte schematische Veranschaulichung eines Glieds für den Unterarm für den geschickten humanoiden Roboter von 1, 3 und 4;
5 ist eine schematische graphische Veranschaulichung, welche Gier- und Nickwinkel einer Handgelenkanordnung des Unterarms für den geschickten humanoiden Roboter von 1, 3 und 4 darstellt;
6 ist eine schematische Veranschaulichung einer Rückseite des Unterarms für den geschickten humanoiden Roboter von 1 und 3 mit einer alternativen Ausführungsform der Glieder zum Bewegen der Hand; und
7 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung einer weiteren alternativen Ausführungsform der Glieder zum Bewegen der Hand von 6.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, zeigt 1 einen geschickten humanoiden Roboter 10, der zum Ausführen einer oder mehrerer Aufgaben mit vielen Freiheitsgraden (DOF) ausgelegt ist.
Der humanoide Roboter 10 kann einen Kopf 12, einen Torso 14, eine Taille 15, Arme 16, Hände 18, Finger 19 und Daumen 21 umfassen, wobei die verschiedenen Gelenke darin oder dazwischen angeordnet sind. Eine Energieversorgung 13 kann an dem Roboter 10 einstückig montiert sein, z.B. ein wiederaufladbarer Batteriestapel, der auf der Rückseite des Torsos 14 mitgeführt oder getragen wird, oder eine andere geeignete Energieversorgung, um ausreichend elektrische Energie für die verschiedenen Gelenke zur Bewegung derselben bereitzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Roboter 10 mit einer Vielzahl von unabhängig und voneinander abhängig bewegbaren Robotergelenken ausgestaltet, wie etwa einer Schultergelenkanordnung (Pfeil A), einer Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B), einer Handgelenkanordnung (Pfeil C), einer Nackengelenkanordnung (Pfeil D) und einer Taillengelenkanordnung (Pfeil E) sowie den verschiedenen Fingergelenkanordnungen (Pfeil F), die zwischen den Fingergliedern jedes Fingers 19 des Roboters 10 positioniert sind, ist aber nicht darauf beschränkt.
Jedes Robotergelenk kann einen oder mehrere Freiheitsgrade aufweisen. Beispielsweise können einige Gelenke, wie etwa die Schultergelenkanordnung (Pfeil A) oder die Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B) mindestens zwei Freiheitsgrade in der Form von Nicken und Rollen aufweisen. Auf ähnliche Weise kann die die Nackengelenkanordnung (Pfeil D) mindestens drei Freiheitsgrade aufweisen, während die Taillen- und Handgelenkanordnungen (Pfeil E bzw. C) einen oder mehrere Freiheitsgrade aufweisen können. In Abhängigkeit von der Komplexität der Aufgabe kann sich der Roboter 10 mit über vierzig Freiheitsgraden bewegen. Obwohl es in 1 zur Vereinfachung nicht gezeigt ist, enthält jedes Robotergelenk in der Taille (Pfeil E), im Nacken (Pfeil D) und in den Armen (Pfeile A und B) ein oder mehrere Stellglieder, z.B. Gelenkmotoren, lineare Stellglieder 38, Drehstellglieder und dergleichen, und wird durch diese angetrieben. Auch Fingergelenke (Pfeil F) werden von Stellgliedern 26 angetrieben, aber es kann vorteilhaft sein, Bewegungen einiger Finger 19 mechanisch so zu koppeln, dass ein Stellglied 26 in einigen Fällen mehrere Fingergelenke (Pfeil F) antreiben kann. Wenn die Fingergelenke (Pfeil F) von Sehnen 34 angetrieben werden, die nur ziehen können und nicht drücken, erfordert eine Rückholbewegung entweder eine Federspannung oder eine zusätzliche Rückholsehne 34 mit ihrem eigenen Stellglied 26.
Der Arm 16 ist in einen Oberarm 22 und einen Unterarm (oder Vorderarm) 24 unterteilt. Der Oberarm 22 erstreckt sich von der Schultergelenkanordnung (Pfeil A) zu der Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B). Vom Ellenbogengelenk (Pfeil B) weg erstrecken sich der Unterarm 24, die Hände 18, die Finger 19 und die Daumen 21. Zur Vereinfachung verläuft, wie hier beschrieben, die Aufwärtsrichtung zum Kopf 12 hin und die Abwärtsrichtung zur Taille 15 hin.
Mit Bezug auf 2 ist der Oberarm 22 veranschaulicht. Obwohl nur ein Oberarm 22 für die Arme 16 gezeigt ist, arbeiten sowohl der linke als auch der rechte Arm 16 auf die gleiche Weise, wie nachfolgend beschrieben wird. Der Oberarm 22 weist eine Schultergelenkanordnung (Pfeil A) auf, die ein erstes Schultergelenk S1, das einen ersten Freiheitsgrad bereitstellt, ein zweites Schultergelenk S2, das einen zweiten Freiheitsgrad bereitstellt, und ein drittes Schultergelenk S3 umfasst, dass einen dritten Freiheitsgrad bereitstellt. Das erste bis dritte Schultergelenk S1, S2, S3 führen zusammen die Bewegungen aus, welche die Bewegungen darstellen, die eine menschliche Schulter ausführen kann. Insbesondere bewegt eine Drehung des ersten Schultergelenks S1 um eine erste Schulterachse A1 eine zweite Schulterachse A2 für das zweite Schultergelenk S2 in eine gewünschte Position. Auf der Grundlage der Position des ersten Schultergelenks S1 bewegt dann eine Drehung des zweiten Schultergelenks S2 um die zweite Schulterachse A2 den Arm 16 relativ zum Torso 14 nach oben und nach unten, oder relativ zum Torso 14 nach vorne und nach hinten. Das dritte Schultergelenk S3 dreht den Oberarm 22 um eine dritte Schulterachse A3. Eine Drehung des dritten Schultergelenks S3 dreht den Oberarm 22 axial, d.h. eine Drehung des dritten Schultergelenks S3 dreht die Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B) so, dass sie nach oben oder nach unten weist. Daher bilden das erste Schultergelenk S1, das zweite Schultergelenk S2 und das dritte Schultergelenk S3 zusammen die Bewegungen einer Schultergelenkanordnung (Pfeil A).
Der Oberarm 22 umfasst auch eine Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B), die ein erstes Ellenbogengelenk L1 und ein zweites Ellenbogengelenk L2 umfasst. Das erste Ellenbogengelenk L1 und das zweite Ellenbogengelenk L2 stellen jeweils einen Freiheitsgrad bereit. Das erste Ellenbogengelenk L1 und das zweite Ellenbogengelenk L2 führen gemeinsam die Bewegungen aus, welche die Bewegungen darstellen, die ein menschlicher Ellenbogen ausführen kann. Eine Drehung des ersten Ellenbogengelenks L1 um eine erste Ellenbogenachse B1 bewirkt, dass sich der Oberarm 22 unterhalb der Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B) beugt und streckt. Zudem bewirkt eine Drehung des zweiten Ellenbogengelenks L2 um eine zweite Ellenbogenachse B2, dass sich der Oberarm 22 unterhalb der Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B) axial dreht, d.h. eine Drehung des zweiten Ellenbogengelenks L2 um die zweite Ellenbogenachse B2 dreht den Unterarm 24 und die Hand 18 (1) so, dass die Handfläche nach oben oder nach unten weist.
3 veranschaulicht den Unterarm 24, der die Handgelenkanordnung (Pfeil C), die Hand 18, die Finger 19 und den Daumen 21 umfasst. Der Unterarm 24 umfasst eine Vielzahl von Stellgliedern 26 für die Finger 19 (und den Daumen 21) und eine Vielzahl von Handgelenkstellgliedern 28. Außerdem wird auch eine Vielzahl von Elektronikeinrichtungen 30, die zum Steuern der Fingerstellglieder 26 und der Handgelenkstellglieder 28 ausgestaltet sind, auf dem Unterarm 24 abgestützt. Der Unterarm 24 ist an einem Kraftaufnehmer 32 angebracht, der zum Verbinden des Unterarms 24 mit dem Oberarm 22 verwendet wird.
Die Handgelenkanordnung (Pfeil C) ist zwischen der Hand 18 und einem Unterarm 24 angeordnet. Die Handgelenkanordnung (Pfeil C) ist mit einem großen Bewegungsbereich ausgestaltet, der typischerweise mit Hilfe einer Nickachse C1 und einer Gierachse C2 beschrieben ist. Die Nickachse C1 ist zu der Gierachse C2 in einer beabstandeten Beziehung so angeordnet, dass die Achsen allgemein rechtwinklig zueinander verlaufen. Insbesondere ist die Nickachse C1 zwischen der Gierachse C2 und dem Unterarm 24 derart angeordnet, dass sich die Nickachse C1 und die Gierachse C2 nicht schneiden. Auf ähnliche Weise ist die Gierachse C2 zwischen der Nickachse C1 und der Hand 18 positioniert. Die Finger und der Daumen 21 benötigen mehrere Stellglieder (nicht gezeigt), um eine Kraft- und Positionssteuerung bereitzustellen. Beispielsweise kann ein einzelner Finger vier oder fünf Gelenke aufweisen, die unabhängig steuerbar sein müssen. Bei einigen Entwürfen kann eine Handfläche der Hand 18 über eine zusätzliche Bewegungsfähigkeit verfügen, um sich an die Gestalt eines Objekts anzupassen, das ergriffen wird. Gleichzeitig ist es wünschenswert, dass die Hand 18 ein schlankes Profil aufweist, um zu erleichtern, dass die Hand 18 in beschränkte Gebiete hinein reicht. Um dies zu bewerkstelligen kann es bevorzugt sein, die Stellglieder im Vorderarm anzuordnen und mechanische Kraft über Sehnen oder andere derartige schmale Übertragungselemente 34 an die Hand 18 zu übertragen. Eine derartige Hand 18 wird manchmal als „extrinsisch betätigt“ bezeichnet im Gegensatz zu „intrinsisch betätigten“ Händen 18, die ihre eigenen Stellglieder enthalten. Mit vier oder fünf Fingern 19 und Daumen 21, die jeweils bis zu fünf Freiheitsgraden aufweisen, kann die Hand 18 leicht ein Dutzend oder mehr Stellglieder benötigen. Um die benötigte Anzahl von Stellgliedern in eine intrinsisch betätigte Hand 18 zu verpacken, werden kleinere Stellglieder verwendet. Als Folge werden die intrinsisch betätigten Hände 18 typischerweise zu klobig, zu langsam und/oder zu schwach, um die benötigte geschickte Arbeit auszuführen.
Die Handgelenkanordnung (Pfeil C) für einen geschickten Roboter 10 mit einer extrinsisch betätigten Hand 18 ist ausgestaltet, um einen großen Bereich an Nickbewegung um die Nickachse C1 und einen weiten Bereich an Gierbewegung um die Gierachse C2 bereitzustellen. Zudem ist die Handgelenkanordnung so ausgestaltet, dass sie schmal ist, d.h. ein schlankes Profil aufweist, so dass die Hand 18 und die Handgelenkanordnung geschickte Arbeit in beschränkten Bereichen ausführen können. Die Handgelenkanordnung definiert einen Durchgang 36, d.h. einen offenen Raum, der ausgestaltet ist, um die Übertragungselemente 34 unterzubringen, welche die Stellglieder im Vorderarm mit den Gelenken in der Hand 18 und/oder den Fingern verbinden. Wenn die Übertragungselemente 34 Sehnen sind, die nur zum Ziehen und nicht zum Drücken ausgestaltet sind, kann es wünschenswert sein, entgegenwirkende Stellglieder (nicht gezeigt) bereitzustellen, um eine Spannung im System aufrechtzuerhalten. Die Handgelenkanordnung (Pfeil C) muss auch so ausgestaltet sein, dass sie im Vergleich zum Menschen stark genug ist und mit ausreichender Geschwindigkeit arbeitet, um die Hand 18 beim Verrichten nützlicher Arbeit zu unterstützen.
Mit Bezug auf 4 und 4A muss die Handgelenkanordnung auch betätigt werden, um die Gier- und Nickdrehungen um die jeweiligen Gier- und Nickachsen C2, C1 zu erreichen. Ein Paar lineare Stellglieder 38 sind im Unterarm 24 in einer zueinander beabstandeten Beziehung verschiebbar angeordnet und verlaufen allgemein parallel zueinander. Ein Glied 40 verbindet auf funktionale Weise ein jeweiliges des Paars linearer Stellglieder 38 und die Hand 18. Die Glieder 40 sind über Kugelgelenke 42 mit dem linearen Stellglied 38 und dem Handgelenk funktional verbunden. Die Glieder 40 erstrecken sich in einer zueinander beabstandeten Beziehung und verlaufen allgemein parallel zueinander. Die linearen Stellglieder 38 verbinden den Vorderarm mit der Hand 18 auf funktionale Weise, um die Drehbewegung der Hand 18 um die Gier- und Nickachsen C2, C1 relativ zum Unterarm 24 zu erreichen. Jedes lineare Stellglied 38 ist ausgestaltet, um einen langen linearen Wegbereich zur Drehung des Handgelenks um die Gier- und/oder Nickachse C2, C1 bei einer ausreichenden Geschwindigkeit und Kraft bereitzustellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der lineare Wegbereich des linearen Stellglieds 38 etwa 100 mm, die Geschwindigkeit beträgt etwa 80 mm/s und die Kraft reicht ununterbrochen von etwa 320 N bis etwa 1320 N. Zwei der linearen Stellglieder 38 können mit einer gewünschten kinematischen Anordnung gekoppelt sein, um zu einer Handgelenkgeschwindigkeit von etwa 120 Grad/Sekunde um die Nick- und Gierachsen C1, C2; zu einem Spitzendrehmoment von etwa 200 Nm um die Nickachse C1 und von etwa 150 Nm um die Gierachse C2; und zu einem kontinuierlichen Handgelenkdrehmoment von etwa 25 Nm jeweils um die Nick- und Gierachse C1, C2 zu führen.
Die Handgelenkanordnung ist derart ausgestaltet, dass die Beziehung zwischen der Verschiebung der linearen Stellglieder 38 im Vorderarm und dem resultierenden Nicken und Gieren der Handgelenkanordnung (Pfeil C) nichtlinear gekoppelt ist und von einer geometrischen Platzierung der Kugelgelenke 42 in der Handfläche, dem Ort einer Betätigungslinie der linearen Stellglieder 38 im Vorderarm und der geometrischen Beziehung der linearen Stellglieder 38 zu den Nick- und Giergelenken abhängt. Mit Bezug auf 5 ist bei 43 eine graphische Darstellung der Drehwinkel P, Y um die Gier- und Nickgelenke, welche durch eine mathematische Analyse hergeleitet wurden (nachstehend detaillierter beschrieben) gezeigt. 5 zeigt, dass, wenn man all diese geometrischen Parameter vollständig ausnützt, die Handgelenkanordnung (Pfeil C) einen großen Bereich an Nickbewegung, d.h. etwa 140 Grad Gesamtweg, und einen großen Bereich an Gierbewegung, d.h. etwa 60 Grad Gesamtweg, erreichen kann. Ein von Singularitäten freier Betrieb mit guter Aufbereitung zur Beibehaltung einer nahezu gleichförmigen Genauigkeit und Stärke über den Betriebsarbeitsraum der Hand 18 und/oder die Handgelenkanordnung (Pfeil C) hinweg kann mit dieser Konfiguration der Handgelenkanordnung (Pfeil C) auch erreicht werden. Wieder mit Bezug auf 5 wird ein asymmetrischer Weg um die Gierachse C2 bereitgestellt, d.h. von etwa -15 Grad bis etwa 45 Grad, da die Daumenseite 44 der Hand 18 den Weg an eine Seite ausschließt, was andernfalls zu einer Kollision des Daumens 21 mit einer Stützstruktur 46 für den Daumen 21 der Hand 18 mit dem Unterarm 24 führen würde, während es der Hand 18 ermöglicht, sich weiter zu einer Seite 48 des kleinen Fingers der Hand 18 zu drehen. Es ist festzustellen, dass diese Asymmetrie die Bewegung des menschlichen Handgelenks nachahmt, das den gleichen Drehbeschränkungen um die Gierachse C2 unterworfen ist. Als Folge wird eine schmale Handgelenkanordnung (Pfeil C) erreicht.
Um den großen Bewegungsbereich unterzubringen, während eine gute Stärke beibehalten wird, umfasst die Handgelenkanordnung (Pfeil C) eine Vielzahl der Kugelgelenke 42. Jedes der Kugelgelenke 42 umfasst einen Gelenkpfannenabschnitt 50 und einen Kugelabschnitt 52. Jedes Glied 40 umfasst einen Stangenabschnitt 54 und einer der Kugelabschnitte 52 erstreckt sich von entgegengesetzten Enden des jeweiligen Stangenabschnitts 54. Einer der Gelenkpfannenabschnitte 50 erstreckt sich funktional von einem jeweiligen der linearen Stellglieder 38 weg. Zudem erstreckt sich ein Paar der Gelenkpfannenabschnitte 50 funktional von der Hand 18 weg. Insbesondere kann sich einer der anderen Gelenkpfannenabschnitte 50 von der Stützstruktur 46 an der Hand 18 in der Nähe der Daumenseite 44 weg erstrecken und der andere Gelenkpfannenabschnitt 50 kann sich von der Hand 18 in der Nähe der Seite 48 des kleinen Fingers weg erstrecken. Die Kugelabschnitte 52 jedes Glieds 40 stehen in Eingriff mit einem der Gelenkpfannenabschnitte 50 der Hand 18 und des zugehörigen linearen Stellglieds 38 derart, dass das Glied 40 relativ zu dem jeweiligen Gelenkpfannenabschnitt 50 ein Gelenk bildet. Jeder Gelenkpfannenabschnitt 50 umfasst einen Basisabschnitt 56 und ein Paar Flanschabschnitte 58. Das Paar Flanschabschnitte 58 erstreckt sich vom Basisabschnitt 56 in einer voneinander beabstandeten Beziehung weg, um dazwischen eine Gelenkpfannenöffnung 60 zu definieren. Die Gelenkpfannenöffnung 60 ist zur Aufnahme des jeweiligen Kugelabschnitts 52 ausgestaltet. Ein Spalt 62 ist zwischen Rändern 64 des Paars von Flanschabschnitten 58 definiert. Der Spalt 62 ist derart ausgestaltet, dass ein Abschnitt des Stangenabschnitts 54 des jeweiligen Glieds 40 bewegbar dazwischen hindurchgeht, wenn die Handgelenkanordnung (Pfeil C) gelenkig gelagert wird. Der Basisabschnitt 56 ist so ausgestaltet, dass er sich entweder vom linearen Stellglied 38 oder von der Hand 18 weg erstreckt. Die Kugelgelenke 42 können für die Handgelenkanordnung (Pfeil C) optimiert sein. Mit Bezug wieder auf 5 ist die Gelenkpfannenöffnung 60 des Gelenkpfannenabschnitts 50 des Kugelgelenks 42 in der Nickrichtung verlängert, da der Winkel P der Nickbewegung mehr als doppelt so groß wie der Winkel Y der Gierbewegung ist, d.h. wenn sich die Hand 18 um die Nickachse C1 dreht, um das Einführen des jeweiligen Kugelabschnitts 52 während einer Montage des Kugelgelenks 42 zu erleichtern. Der Basisabschnitt 56 stellt auch eine Kontaktoberfläche 66 dar. Die Kontaktoberfläche 66 kann eine Vorderseite einer Schraube sein, die sich zurückzieht, um das Einführen des Kugelabschnitts 52 in den Gelenkpfannenabschnitt 50 zu ermöglichen. Die Schraube kann dann zu dem Kugelabschnitt 52 hingeschraubt werden, um den Kugelabschnitt 52 in einen spielfreien Kontakt zwischen dem Kugelabschnitt 52 und der Schraubenvorderseite festzusetzen. Die Oberfläche der Schraubenvorderseite und beliebige Innenkontaktregionen des Gelenkpfannenabschnitts 50 können maschinell bearbeitet sein, so dass sie den gleichen Kugelradius wie der Kugelabschnitt 52 aufweisen, um eine gute kugelförmige Begrenzung bereitzustellen, die Kontaktbelastungen gleichmäßig verteilt. Das Bereitstellen einer guten kugelförmigen Begrenzung zwischen dem Kugelabschnitt 52 und dem Gelenkpfannenabschnitt 50 ermöglicht die Übertragung von hohen Betätigungskräften an die Handgelenkanordnung. Bei der vorliegenden Ausführungsform können die Kugelgelenke 42 ausgestaltet sein, um eine Kraft auf die Handgelenkanordnung (Pfeil C) auszuüben, die bei Druck oder Zug über 530 N liegt, ohne die Verbindung zwischen den Gliedern 40 und den Kugelgelenken 42 auszurenken.
Jedes lineare Stellglied 38 ist für eine unabhängige lineare Bewegung relativ zum Unterarm 24 ausgestaltet. Das Glied 40, das dem jeweiligen linearen Stellglied 38 entspricht, bewegt sich daher auch in Ansprechen auf eine Bewegung des linearen Stellglieds 38. Als Folge einer Bewegung des Glieds 40 bewegt sich die Hand 18 (d.h. sie dreht sich) um mindestens eine der Gier- und Nickachsen C2, C1. Obwohl die linearen Stellglieder 38 ausgestaltet sind, um sich unabhängig zu bewegen, wird durch die relative Bewegung der linearen Stellglieder 38 bestimmt, ob sich die Hand 18 um die Gierachse C2, die Nickachse C1, oder die Gier- und Nickachsen C2, C1 gleichzeitig dreht. Insbesondere sind die linearen Stellglieder 38 ausgestaltet, um sich mit annähernd der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung zu bewegen, um die Hand 18 nur um die Nickachse C1 zu drehen, und die linearen Stellglieder 38 sind ausgestaltet, um sich mit annähernd der gleichen Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen, um die Hand 18 nur um die Gierachse C2 zu drehen. Daher sind die linearen Stellglieder 38 ausgestaltet, um die Hand 18 um die Nick- und Gierachsen C1, C2 gleichzeitig zu drehen, indem beide linearen Stellglieder 38 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten relativ zueinander bewegt werden.
Es sollte verstanden sein, dass aufgrund der räumlichen Geometrie des Handgelenks und insbesondere aufgrund seiner asymmetrischen Geometrie die präzise Beziehung zwischen den Geschwindigkeiten der linearen Stellglieder 38 und den resultierenden Nick- und Gierwinkelgeschwindigkeiten nichtlinear ist. Derartige Nichtlinearitäten können in 5 beobachtet werden, in der die durchgezogenen gebogenen Linien eine Bewegung darstellen, bei der sich eines der linearen Stellglieder 38 bewegt, während das andere stationär ist, und die gestrichelten gebogenen Linien eine Bewegung darstellen, bei der die Rollen der zwei linearen Stellglieder 38 umgedreht sind. Für ein beliebiges Paar von Nick- und Gierwinkeln (P, Y) werden die zugehörigen Verschiebungen der linearen Stellglieder 38 durch den Schnittpunkt einer durchgezogenen Kurve mit einer gestrichelten Kurve in 5 bei (P, Y) bestimmt. Eine koordinierte Bewegung der Nick- und Gierachsen wird erreicht, indem die zugehörige koordinierte Bewegung der linearen Stellglieder 38 entweder durch Lösen der nichtlinearen kinematischen Gleichungen oder durch Interpolieren in einer Nachschlagetabelle von vorberechneten Werten berechnet wird. Details der nichtlinearen Berechnungsprozedur werden nachstehend angegeben.
Bei einer alternativen Ausführungsform, die in 6 und 7 gezeigt ist, ist die Handgelenkanordnung (Pfeil C) ausgelegt, um eine serielle elastische Betätigung bereitzustellen. Eine serielle elastische Betätigung wird bereitgestellt, wenn das lineare Stellglied 38 den Ausgang durch ein Federelement 68 anstelle der Glieder 40 antreibt. Durch ein Messen der Biegung D dieses Federelements 68 und durch Kenntnis seiner Steifigkeit kann die Kraft überwacht werden, die auf die Handgelenkanordnung (Pfeil C) ausgeübt wird. Wenn der Roboter 10 einen Kontakt mit dem Objekt herstellt, absorbiert das Federelement 68 den Stoß, der aus dem Kontakt resultiert. Auf einer längeren Zeitskala überwacht ein Controller 70 des Roboters 10 die Kraft des Kontakts und kann das lineare Stellglied 38 in einer Regelkreis-Handgelenkanordnung (Pfeil C) befehlen, um die Kontaktkraft zu regeln. Die serielle elastische Betätigung kann bewerkstelligt werden, indem eines der Federelemente 68 mit einem jeweiligen linearen Stellglied 38 verwendet wird. Mit Bezug auf 6 und 7 kann das Federelement 68 anstelle der starren Glieder 40 verwendet werden. Mit Bezug speziell auf 6 sind die Federelemente 68 elastische Elemente. Bei dieser Ausführungsform sind die Federelemente 68 Schraubenfedern 72, die aus einem Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul geformt sind. Mit Bezug speziell auf 7 sind die Federelemente 68 als ein Druck-Zug-Glied 40 unter Verwendung eines komprimierbaren Materials ausgebildet. Alternativ kann das Federelement 68 im linearen Stellglied 38 derart platziert sein, dass das Federelement 68 einen Kopfabschnitt 74 und den Gelenkpfannenabschnitt 50 des linearen Stellglieds 38 verbindet. Auf ähnliche Weise kann das Federelement 68 zwischen einem Handflächenglied 76 und dem zugehörigen Gelenkpfannenabschnitt 50 platziert sein. Bei noch einer anderen Ausführungsform kann das Federelement 68 an einem Gerüst 78 des Vorderarms angebracht sein. Bei diesen gerade eben beschriebenen Ausführungsformen arbeiten die Glieder 40 aufgrund der Kugelgelenke 42 an den entgegengesetzten Enden der Glieder 40 nur in Spannung/Kompression. Als Folge der reinen Spannung/Kompression wird eine Querbiegung und/oder Biegemomente der Glieder 40 kein Problem. Zusätzlich zu einem elastischen Antriebsstrangelement, wie etwa dem Federelement 68, erfordert eine serielle elastische Betätigung eine Messung der Biegung des Federelements 68. Bei beliebigen der vorstehenden Anordnungen des Federelements 68 kann eine Biegung D durch eine Biegungsmesseinrichtung 80, wie etwa Dehnungsmessstreifen, die an dem Federelement 68 montiert sind, durch magnetische Hallsensoren, durch optische Verfahren, durch Veränderungen beim elektrischen Widerstand oder durch eine beliebige andere bekannte Einrichtung, die zum Messen der Biegung D ausgestaltet ist, welche Fachleuten bekannt ist, gemessen werden. Eine Alternative zur direkten Messung der Biegung D des Federelements 68 besteht darin, die Biegung D indirekt zu messen, indem sowohl die Positionen der Gleitelemente als auch die entsprechenden Nick- und Gierwinkel P, Y der Handgelenkanordnung gemessen werden. Die Position der linearen Stellglieder 38 kann durch optische Messgeber auf Motoren (nicht gezeigt), welche die linearen Stellglieder 38 antreiben, gemessen werden. Auch die Nick- und Gierwinkel P, Y werden von Sensoren (nicht gezeigt) gemessen, wie etwa magnetischen Hallsensoren, optischen Miniaturmessgebern und dergleichen. Durch Messen der Nick- und Gierwinkel P, Y können die Positionen von Kugelmittelpunkten des Gelenkpfannenabschnitts 50 in der Hand 18 mit Bezug auf den Unterarm 24 berechnet werden. Durch Messen der Positionen der linearen Stellglieder 38 kann auch die Position der entsprechenden Mittelpunkte der Kugelabschnitte 52 des Gelenkpfannenabschnitts 50 im Unterarm 24 bestimmt werden. Eine Distanz zwischen den Kugelmittelpunkten an beiden Enden eines Druck/Zug-Glieds 40 kann dann berechnet werden, um eine gebogene Länge des entsprechenden Glieds 40 aufzudecken.
Zusätzlich kann eine Eingangs-Ausgangs-Beziehung zwischen den Nick- und Gierwinkeln P, Y und der Verschiebung des linearen Stellglieds 38 berechnet werden. Das Berechnen der Verschiebung jedes linearen Stellglieds 38, um einen gewünschten Nick- und Gierwinkel P, Y zu erzeugen, wird unter Verwendung der folgenden Schritte bestimmt. Es versteht sich, dass die gleichen Schritte für jedes der zwei linearen Stellglieder 38 für ein gegebenes Nicken und Gieren (P, Y) separat ausgeführt werden. (Schritt 1) Stelle ein Koordinatensystem bei der Heimatposition (P, Y) = (0,0) auf, das im Unterarm 24 verankert ist, mit Ursprung beim Kugelmittelpunkt 42 am Kopf des linearen Stellglieds 38 und mit der z-Achse ausgerichtet auf die Betätigungslinie des Stellglieds 38, die zu der Hand 18 hin zeigt. Für jede Konfiguration des Handgelenks soll q die Verschiebung des Stellglieds 38, gemessen vom Ursprung entlang der z-Achse sein. Durch diese Konstruktion ist q = 0, wenn sich das Handgelenk in der Heimatposition befindet. (Schritt 2) Berechne für eine allgemeine Position (P, Y) den Ort des Mittelpunkts des Kugelgelenks 42 am anderen Ende des Druck-Zug-Glieds 40. Drücke diese Position als (x, y, z) in dem Koordinatensystem aus, das bei Schritt 1 festgelegt wurde. Es versteht sich, dass das Berechnen von (x, y, z) als eine Funktion von (P, Y) durch Standardberechnungsmittel für die Vorwärtskinematik einer seriellen Gliederkette durchgeführt wird, wobei eine derartige Kette in diesem Fall aus dem Unterarm 78, dem dazwischen liegenden Handgelenkglied und dem Handflächenglied 76 besteht, mit einem Drehwinkel P um die Achse C 1 und einem Drehwinkel Y um die Achse C2. (Schritt 3) L sei die bekannte Länge des Druck-Zug-Glieds, die von einem Kugelmittelpunkt 42 zum anderen gemessen ist. (Schritt 4)
Dann beträgt die Verschiebung q des linearen Stellglieds $q = z - \sqrt{L^{2} - x^{2} - y^{2}} .$
Die andere Richtung, d.h. das Berechnen des Nickens und des Gierens, wenn die aktuellen Verschiebungen der linearen Stellglieder 38 gegeben sind, ist schwieriger, weil es durch Polynomialgleichungen gesteuert wird, die bis zu acht Wurzeln aufweisen. Obwohl eine algebraische Formulierung der Lösung verwendet werden kann, um die Nick- und Gierwinkel P, Y zu beschaffen, kann auch eine recheneffizientere Alternative des Aufbauens einer Nachschlagetabelle mit 2 Eingängen und 2 Ausgängen auf der Grundlage der gleichen algebraischen Formulierung verwendet werden. Die Nachschlagetabelle kann interpoliert und in die graphische Darstellung 43, die in 5 gezeigt ist, umgeformt werden. Das Verfahren kann so implementiert werden, dass es in einem Steuerungssystem 84 im Roboter 10 läuft, der mit der Handgelenkanordnung (Pfeil C) funktional verbunden ist.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Handgelenkanordnung (C), die zwischen einem Unterarm (24) und einer Hand (18) eines humanoiden Roboters (10) funktional definiert ist, wobei die Handgelenkanordnung (C) umfasst: ein Paar von Gliedern (40), welche den Unterarm (24) und die Hand (18) funktional verbinden; wobei sich die Glieder (40) in einer beabstandeten und allgemein parallelen Beziehung zueinander erstrecken; ein Paar linearer Stellglieder (38), die den Unterarm (24) und ein jeweiliges des Paars von Gliedern (40) verbinden; eine Gierachse (C2); eine Nickachse (C1), die zu der Gierachse (C2) in einer beabstandeten und allgemein rechtwinkligen Beziehung angeordnet ist; wobei die Nickachse (C1) zwischen der Gierachse (C2) und dem Unterarm (24) derart angeordnet ist, dass sich die Nickachse (C1) und die Gierachse (C2) nicht schneiden; wobei die Hand (18) relativ zum Unterarm (24) sowohl um die Gierachse (C2) als auch die Nickachse (C1) drehbar ist; wobei jedes der linearen Stellglieder (40) für eine unabhängige lineare Bewegung relativ zum Unterarm (24) derart ausgestaltet ist, dass sich das jeweilige des Paars von Gliedern (40) in Ansprechen auf eine Bewegung des linearen Stellglieds (38) bewegt, um die Hand (18) um die Gierachse (C2) und/oder die Nickachse (C1) zu bewegen; wobei das Paar linearer Stellglieder (38) ausgestaltet ist, um sich in die gleiche Richtung derart zu bewegen, dass sich die Hand (18) zumindest um die Nickachse (C1) dreht; und wobei das Paar linearer Stellglieder (38) ausgestaltet ist, um sich in entgegengesetzte Richtungen derart zu bewegen, dass sich die Hand (18) zumindest um die Gierachse (C2) dreht.
Handgelenkanordnung (C) nach Anspruch 1, wobei die Hand (18) ausgestaltet ist, um sich relativ zum Unterarm (24) 60 Grad um die Gierachse (C2) und 140 Grad um die Nickachse (C1) zu drehen.
Handgelenkanordnung (C) nach Anspruch 2, wobei die Hand (18) ausgestaltet ist, um sich relativ zum Unterarm (24) von -15 Grad bis 45 Grad um die Gierachse (C2) zu drehen.
Handgelenkanordnung (C) nach Anspruch 1, wobei die Handgelenkanordnung (C) einen Durchgang (36) definiert, der ausgestaltet ist, um Übertragungselemente (34) unterzubringen, welche die Stellglieder (26) im Vorderarm (24) mit den Gelenken in der Hand (18) und/oder den Fingern (19, 21) verbinden.
Handgelenkanordnung (C) nach Anspruch 1, wobei das Paar linearer Stellglieder (38) ausgestaltet ist, um sich gleichzeitig in die gleiche Richtung mit einer annähernd gleichen linearen Geschwindigkeit derart zu bewegen, dass sich die Hand (18) nur um die Nickachse (C1) dreht; wobei das Paar linearer Stellglieder (38) ausgestaltet ist, um sich gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen mit einer annähernd gleichen linearen Geschwindigkeit derart zu bewegen, dass sich die Hand (18) nur um die Gierachse (C2) dreht; und wobei das Paar linearer Stellglieder (38) ausgestaltet ist, um sich gleichzeitig mit verschiedenen linearen Geschwindigkeiten derart zu bewegen, dass sich die Hand (18) um die Gier- (C2) und Nickachse (C1) gleichzeitig dreht.
Handgelenkanordnung (C) nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Glieder (40) und das jeweilige lineare Stellglied (38) ein Federelement (68) umfasst, das ausgestaltet ist, um eine serielle elastische Betätigung bereitzustellen.
Handgelenkanordnung (C) nach Anspruch 6, die ferner eine Biegungsmesseinrichtung (80) in funktionaler Kommunikation mit dem Federelement umfasst (68); wobei die Biegungsmesseinrichtung (80) ausgestaltet ist, um eine Biegung des Federelements (68) zu messen.