DE102010045531B4

DE102010045531B4 - Serielles elastisches Drehstellglied

Info

Publication number: DE102010045531B4
Application number: DE102010045531.8A
Authority: DE
Inventors: Chris A. Ihrke; Joshua S. Mehling; Adam H. Parsons; Bryan Kristian Griffith; Nicolaus A. Radford; Frank Noble Permenter; Donald R. Davis; Robert O. Ambrose; Lucien Q. Junkin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: THE U.S.A. AS REPRESENTED BY THE ADMINISTRATOR, US; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: US20110067517A1; JP5480081B2; DE102010045531A1; US8291788B2; US20120279338A1; JP2011072186A; US8443693B2; US20120279343A1; US8443694B2

Abstract

Eine Drehstellgliedanordnung zur Betätigung einer Oberarmanordnung für einen geschickten humanoiden Roboter wird bereitgestellt. Die Oberarmanordnung für den humanoiden Roboter umfasst eine Vielzahl von Armstützgerüsten, die jeweils eine Achse definieren. Eine Vielzahl von Drehstellgliedanordnungen ist jeweils an einem der Vielzahl von Armstützgerüsten um die jeweilige Achse herum montiert. Jede Drehstellgliedanordnung umfasst einen Motor, der um die jeweilige Achse herum montiert ist, einen Zahnradantrieb, der mit dem Motor drehend verbunden ist, und eine Torsionsfeder. Die Torsionsfeder weist einen Federeingang, der mit einem Ausgang des Zahnradantriebs drehend verbunden ist, und einen Federausgang auf, der mit einem Ausgang für das Gelenk verbunden ist.

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 die Bewegungssteuerung eines humanoiden Roboters und insbesondere ein Betätigungssystem und eine Verpackung für einen Oberarm des humanoiden Roboters.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Roboter sind automatisierte Einrichtungen, die zur Manipulation von Objekten unter Verwendung einer Reihe starrer Glieder 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 Durchführen einer anstehenden Aufgabe verwendet werden, z. B. zum Ergreifen eines Arbeitswerkzeugs oder eines Objekts. Daher kann eine präzise Bewegungssteuerung eines Roboters durch die Ebene der Aufgabenbeschreibung gegliedert werden: 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 arbeiten 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 Großteil vom Wesen der Arbeitsaufgabe abhängt, die ausgeführt wird. Die Verwendung humanoider Roboter kann dort bevorzugt sein, wo eine direkte Interaktion mit Einrichtungen oder Systemen benötigt wird, die speziell für den menschlichen Gebrauch gefertigt sind. Aufgrund des weiten Spektrums von Arbeitsaufgaben, die möglicherweise von einem humanoiden Roboter erwartet werden, kann es sein, dass verschiedene Steuerungsmodi gleichzeitig benötigt werden. Beispielsweise muss in den verschiedenen vorstehend angegebenen Räumen eine präzise Steuerung 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 Gelenk im Roboter mindestens ein Stellglied für jeden Freiheitsgrad. Zudem müssen diese Stellglieder in einer Anordnung verpackt sein, die eine menschliche Gestalt und ein menschliches Erscheinungsbild näherungsweise darstellt.
Die US 2004/0 036 437 A1 offenbart einen mobilen Roboter mit Beinen, der Drehstellgliedanordnungen mit einem Motor, einem Encoder bzw. Inkrementalgeber zur Detektion einer Drehposition des Motors und einem Treiber zur adaptiven Steuerung der Drehposition und Drehzahl des Motors basierend auf einer Ausgabe des Encoders aufweist.
In der US 5 650 704 A ist ein elastisches Stellglied offenbart, das aus einem Motor, einem damit verbundenen Getriebe sowie einem elastischen Element besteht. Ein Kraftmesswertgeber ist zwischen einer Motorhalterung und einem Stellgliedausgang montiert und erzeugt ein Kraftsignal auf der Grundlage einer Verbiegung des elastischen Elements, wobei das Kraftsignal zur Motorsteuerung verwendet wird.
Die US 2007/0 105 070 A1 offenbart einen elektromechanischen Robotersoldaten, der zur Drehung des Torsos einen Servomotor mit Motorbremse verwendet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Stellglieder für Gelenke von humanoiden Robotern bereitzustellen, die so eingebaut sind, dass das annähernd menschliche Erscheinungsbild des humanoiden Roboters erhalten bleibt, die eine gewisse Nachgiebigkeit zum mechanischen Schutz gegen Kraft- oder Drehmomentimpulse aufweisen, und die dennoch präzise gesteuert werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend wird hier eine Drehstellgliedanordnung zur Betätigung einer Oberarmanordnung für einen geschickten humanoiden Roboter bereitgestellt. Die Drehstellgliedanordnung umfasst ein Stützgerüst, das eine Achse definiert, und einen Motor, der um die Achse im Stützgerüst herum montiert ist. Ein Zahnradantrieb ist mit dem Motor drehend verbunden und ist auch im Stützgerüst um die Achse herum montiert. Eine Torsionsfeder umfasst einen Federeingang und einen Federausgang. Der Federeingang ist mit einem Ausgang des Zahnradantriebs drehend verbunden und der Federausgang ist mit einem Gelenkausgang verbunden. Die Torsionsfeder ist im Stützgerüst montiert.
Eine Oberarmanordnung für den humanoiden Roboter umfasst eine Vielzahl von Armstützgerüsten, die jeweils eine Achse definieren. Eine Vielzahl von Drehstellgliedanordnungen ist jeweils an einem der Vielzahl von Armstützgerüsten um die jeweilige Achse herum montiert. Jede Drehstellgliedanordnung umfasst einen Motor, einen mit dem Motor drehend verbundenen Zahnradantrieb und eine Torsionsfeder. Die Torsionsfeder weist einen Federeingang, der mit einem Ausgang des Zahnradantriebs drehend verbunden ist, und einen Federausgang auf, der mit einem Ausgang der Stellgliedanordnung verbunden ist.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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 Stützgerüsts und einer Drehstellgliedanordnung für ein Gelenk des Oberarms für den geschickten humanoiden Roboter von 1 und 2;
4 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung einer Drehstellgliedanordnung für den Oberarms des geschickten humanoiden Roboters von 1–3;
5 ist eine schematische Veranschaulichung im Querschnitt der seriellen elastischen Drehstellgliedanordnung für den geschickten humanoiden Roboter von 1–4;
6 ist eine schematische Veranschaulichung im Querschnitt eines Motors und einer Bremse für die Drehstellgliedanordnung für den geschickten humanoiden Roboter von 1–5; und
7 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Drehpositionssensors für die Drehstellgliedanordnung für den geschickten humanoiden Roboter von 1–6.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten die gleichen oder ähnliche Komponenten bezeichnen, zeigt 1 einen geschickten humanoiden Roboter 10, der ausgelegt ist, um eine oder mehrere Aufgaben mit mehreren Freiheitsgraden (DOF) auszuführen.
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. Der Roboter 10 kann in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung oder der beabsichtigten Verwendung des Roboters auch eine für die Aufgabe geeignete Halterung oder Basis (nicht gezeigt) umfassen, wie es Beine, Laufflächen oder eine andere bewegliche oder starre Basis. 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 genügend elektrische Energie an 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, aber ohne Einschränkung, 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 (nicht nummeriert), die zwischen den Fingergliedern jedes Roboterfingers 19 positioniert sind.
Jedes Robotergelenk kann einen oder mehrere Freiheitsgrade aufweisen. Zum Beispiel können einige Gelenke, wie etwa die Schultergelenkanordnung (Pfeil A) und die Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B), mindestens zwei Freiheitsgrade in der Form von Nicken und Rollen aufweisen. Auf ähnliche Weise kann 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 40 Freiheitsgraden bewegen. Obwohl es der Einfachheit halber in 1 nicht gezeigt ist, enthält jedes Robotergelenk ein oder mehrere Stellglieder, z. B. Gelenkmotoren, lineare Stellglieder, Drehstellglieder und dergleichen, und wird von diesen angetrieben.
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 wird, die Aufwärtsrichtung zum Kopf 12 hin und die Abwärtsrichtung zur Taille 15 hin. Da der Roboter 10 dazu gedacht ist, einen Humanoiden zu simulieren, werden Fachleute feststellen, dass die verschiedenen Extremitäten – z. B. die Arme 16 einschließlich der Oberarme 22, Unterarme 24 und Hände 18 usw. – symmetrisch sein werden und sowohl an der linken als auch der rechten Seite eine im Wesentlichen identische symmetrische Skelettstruktur umfassen. Wenn er wie in 1 von vorne betrachtet wird, werden sich daher der rechte Arm 16 und die rechte Hand 18 tatsächlich auf der linken Seite der Zeichnung befinden.
Mit Bezug auf 2 ist der Oberarm 22 veranschaulicht. Obwohl für die Arme 16 nur ein Oberarm 22 gezeigt ist, arbeiten sowohl der linke als auch der rechte Arm 16 auf die gleiche Weise, wie nachstehend beschrieben wird. Der Oberarm 22 weist eine Schultergelenkanordnung (Pfeil A), die ein erstes Schultergelenk S1 umfasst, das einen ersten Freiheitsgrad bereitstellt, ein zweites Schultergelenk S2, das einen zweiten Freiheitsgrad bereitstellt und ein drittes Schultergelenk S3 auf, das 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 zurück oder in irgendeiner Kombination daraus. 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 führen das erste Schultergelenk S1, das zweite Schultergelenk S2 und das dritte Schultergelenk S3 zusammen die Bewegungen einer Schultergelenkanordnung (Pfeil A) aus.
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 und Vorderarm ausführen können. 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. Zusätzlich 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.
Alle Oberarmgelenke S1, S2, S3, L1, L2 arbeiten auf die gleiche Weise, sind aber wie gezeigt in verschiedene Richtungen orientiert, um sich um ihre spezifischen Achsen A1, A2, A3, B1 bzw. B2 zu drehen. Jedes Oberarmgelenk S1, S2, S3, L1, L2 enthält eine serielle elastische Drehstellgliedanordnung 26. Die serielle elastische Drehstellgliedanordnung 26 für jedes der Oberarmgelenke S1, S2, S3, L1, L2 kann gemäß den Einbauraum-, Drehmoment- und Leistungsanforderungen an diesem Gelenk dimensioniert sein. Bei der gezeigten Ausführungsform weisen das erste Schultergelenk S1 und das zweite Schultergelenk S2 die gleiche Größe und Kapazität auf, das dritte Schultergelenk S3 und das erste Ellenbogengelenk L1 weisen die gleiche Größe und Kapazität auf, und das zweite Ellenbogengelenk L2 weist eine andere Größe und Kapazität auf. Die Verpackung für den Arm 16 einschließlich der Drehstellgliedanordnung 26 ist derart, dass das Gesamtgewicht des Arms kleiner als die Nutzlast ist, die der Arm manipulieren kann.
Wie nachstehend erläutert wird, kann jedes der Oberarmgelenke S1, S2, S3, L1, L2 durch eine Drehung entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um seine jeweilige Achse A1, A2, A3, B1, B2 arbeiten. Zudem kann auch die Taillengelenkanordnung (Pfeil E) eine serielle elastische Drehstellgliedanordnung 26 umfassen und auf die gleiche Weise wie hier beschrieben arbeiten.
Mit Bezug auf 3 und 4 ist die Drehstellgliedanordnung 26 für das dritte Schultergelenk S3 veranschaulicht. Die Arbeitsweise der Drehstellgliedanordnungen 26 wird mit Bezug auf das dritte Schultergelenk S3 erläutert, obwohl die Drehstellgliedanordnungen 26 für jedes der anderen Oberarmgelenke S1, S2, L1, L2 und die Taillengelenkanordnung (Pfeil E) auf die gleiche Weise arbeiten.
Die Drehstellgliedanordnung 26 umfasst einen Motor 28, einen Zahnradantrieb 30 und eine Feder 32. Ein erster Absolutpositionssensor (APS) 34 und ein zweiter APS 36 befinden sich zwischen dem Zahnradantrieb 30 und der Feder 32. Die Drehstellgliedanordnung 26 ist an einem ersten Armstützgerüst 40 abgestützt. Ein Drehmoment kann durch die Drehstellgliedanordnung 26 in beide Richtungen übertragen werden. Daher wird zu Beschreibungszwecken der Gelenk-”Ausgang” als das Ende der Drehstellgliedanordnung 26 bei der Feder 32 beschriftet. Das erste Armstützgerüst 40 wird als der ”stationäre” Abschnitt des Gelenks beschrieben und der Gelenk-”Ausgang” bei der Feder 32 wird als der ”drehende” Abschnitt der Drehstellgliedanordnung 26 beschrieben. Jedoch kann der Gelenk-”Ausgang” in der Praxis stationär gehalten werden und die Relativdrehung durch die Drehstellgliedanordnung 26 kann den Gelenk-”Eingang” drehen. Bei der gezeigten Ausführungsform würde ein Stationärhalten des Gelenk-”Ausgangs” für das dritte Schultergelenk bewirken, dass sich das erste Armstützgerüst 40 dreht und die Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B) so bewegt, dass sie nach oben oder nach unten weist.
Das erste Armstützgerüst 40 ist an einer Eingangsseite 38 der Drehstellgliedanordnung 26 starr befestigt. Ein zweites Armstützgerüst 44 ist an einer Ausgangsseite 42 der Drehstellgliedanordnung 26 drehend verbunden. Das erste Armstützgerüst 40 und das zweite Armstützgerüst 44 drehen sich während eines Betriebs des dritten Schultergelenks S3 relativ zueinander. Zusätzlich zum Abstützen der Eingangsseite 38 für das dritte Schultergelenk S3 stützt das erste Armstützgerüst 40 auch einen Eingang 46 für das erste Ellenbogengelenk L1 ab und der drehbare zweite Armgerüstabschnitt 44 ist mit einem Ausgang 48 für das zweite Schultergelenk S2 verbunden.
Ein Hohlraum 50 ist durch das erste Armstützgerüst 40 definiert. Der Hohlraum 50 wird für die Platinen und die Verdrahtung (nicht gezeigt) für das dritte Schultergelenk S3 und das erste Ellenbogengelenk L1 verwendet. Da ein Drehmoment durch die Drehstellgliedanordnungen 26 in beide Richtungen übertragen werden kann (Eingang zu Ausgang oder Ausgang zu Eingang), kann die Orientierung der Drehstellgliedanordnung 26 in beide Richtungen angeordnet sein. Daher können benachbart positionierte Gelenke (bei der gezeigten Ausführungsform das dritte Schultergelenk S3 und das erste Ellenbogengelenk L1) so angeordnet sein, dass sie zueinander weisende Gelenkeingänge 38 und 46 aufweisen. Auf diese Weise können die Schaltungen und die Verdrahtung für mehrere Gelenke (das dritte Schultergelenk S3 und das erste Ellenbogengelenk L1) leicht in einem Hohlraum 50 angeordnet werden. Auf ähnliche Weise wird das zweite Schultergelenk S2 einen Ausgangsabschnitt (d. h. das Ende des Gelenks mit der Feder 32), der zu dem Ausgang des dritten Schultergelenks S3 weist, und einen Eingangsabschnitt aufweisen, der zum ersten Schultergelenk S1 weist. Die Schaltungen und die Verdrahtung für das erste Schultergelenk S1 und das zweite Schultergelenk S2 befinden sich in einem Hohlraum 51, der durch das zweite Armstützgerüst 44 definiert ist (in 2 gezeigt).
Die Feder 32 ist eine planare Torsionsfeder, die mindestens einen harten Anschlag 33 umfasst. Der harte Anschlag 33 begrenzt die verfügbare Biegung der Feder 32, um eine plastische Verformung der Feder 32 zu verhindern. Bei der gezeigten Ausführungsform ermöglicht der harte Anschlag 33 eine Federbiegung von bis zu 5 Grad. Eine Federbiegung kann aufgrund des Gewichts des Arms 16 oder der Kraft, die vom Objekt 20 in der Umgebung (in 1 gezeigt) eingegeben wird, auftreten. Ein Federeingang 76 befindet sich an einem inneren Lochkreis für die Feder 32 und ein Federausgang 78 befindet sich an einem äußeren Lochkreis für die Feder 32.
5 ist eine schematische Veranschaulichung im Querschnitt der Drehstellgliedanordnung 26. Die Drehstellgliedanordnung 26 ist um die dritte Schulterachse A3 herum montiert. Ein Rohr 53 definiert einen internen Drahtkanal 52, der konzentrisch um die dritte Schulterachse A3 herum angeordnet ist. Der interne Drahtkanal 52 ermöglicht, dass eine Verdrahtung für das Schultergelenk S3 und anschließende Gelenke durch die Drehstellgliedanordnung 26 hindurch in den Hohlraum 50 (in 3 gezeigt) hinein verläuft.
Wie vorstehend erwähnt wurde, umfasst die Drehstellgliedanordnung 26 den Motor 28, den Zahnradantrieb 30 und die Feder 32. Der Motor 28 weist eine Bremse 54 auf, die im Motor 28 verschachtelt ist, um den Einbauraum zu verringern, der für den Motor 28 der Drehstellgliedanordnung 26 benötigt wird. Der Motor 28 umfasst einen Stator 56 und einen Rotor 58. Der Stator ist am ersten Armstützgerüst 40 mit einer stationären Motorstütze 60 befestigt. Der Rotor 58 ist mit Rotorstützen 62 drehbar gelagert und zentriert. Ein Motorausgang 64 verbindet den Rotor 58 mit einem Zahnradantriebseingang 66 für den Zahnradantrieb 30. Eine Vielzahl von Motorlagern 68 unterstützt eine Drehung des Rotors 58, der Rotorstützen 62, des Motorausgangs 64 und des Zahnradantriebseingangs 66 relativ zu dem ersten Armstützgerüst 40.
Der Zahnradantrieb 30 ist vorzugsweise ein harmonischer Antriebszahnradsatz. Der Zahnradantrieb 30 umfasst einen Zahnradantriebseingang 66, einen Zahnradantriebsausgang 70 und einen stationären Keil 72. Der stationäre Keil 72 des Zahnradantriebs ist am ersten Armstützgerüst 40 starr befestigt. Der Zahnradantriebsausgang 70 ist an einer Zahnradantriebsausgangswelle 74 befestigt, die an einem Federeingang 76 befestigt ist. Drehmoment von der Zahnradantriebsausgangswelle 74 wird durch den Federeingang 76 an einen Federausgang 78 übertragen. Der Federausgang 78 ist an einem Gelenkausgang 80 angebracht. Der Gelenkausgang 80 ist mit dem Ausgang 48 für das zweite Schultergelenk S2 verbunden (nicht gezeigt), um Drehmoment von dem dritten Schultergelenk S3 an das zweite Schultergelenk S2 zu übertragen.
Ein Ausgangslager 82 befindet sich zwischen dem Gelenkausgang 80 und dem ersten Armstützgerüst 40, um eine Relativdrehung zwischen dem Gelenkausgang 80 und dem ersten Armstützgerüst 40 zu ermöglichen. Eine Lagerhalterung 84 kann an das erste Armstützgerüst 40 geklemmt sein, um die Befestigung des Lagers 82 an dem ersten Armstützgerüst 40 zu unterstützen.
Wieder auf 5 Bezug nehmend, erfassen der erste APS 34 und der zweite APS 36 die Relativbewegungen der Drehstellgliedanordnung 26. Der erste APS 34 umfasst einen ersten stationären Abschnitt 86 und einen ersten Drehabschnitt 88. Der erste stationäre Abschnitt 86 ist mit einer Stütze 90 am ersten Armstützgerüst 40 angebracht und der erste Drehabschnitt 88 ist an der Zahnradantriebsausgangswelle 74 angebracht. Der erste APS 34 erfasst die Position des Zahnradantriebs 30 auf der Grundlage der relativen Positionen des ersten stationären Abschnitts 86 und des ersten Drehabschnitts 88.
Auf ähnliche Weise umfasst der zweite APS 36 einen zweiten stationären Abschnitt 92 und einen zweiten Drehabschnitt 94. Der zweite stationäre Abschnitt 94 ist durch die Stütze 90 an dem ersten Armstützgerüst 40 angebracht. Der zweite Drehabschnitt 94 ist an dem Gelenkausgang 80 angebracht. Der zweite APS 36 erfasst die Position des Ausgangs des dritten Schultergelenks S3 auf der Grundlage der relativen Positionen des zweiten stationären Abschnitts 92 und des zweiten Drehabschnitts 94. Zusätzlich kann durch ein Berechnen der Differenz zwischen dem ersten APS 34 und dem zweiten APS 36 die Biegung der Feder 32 ermittelt werden. Durch Multiplizieren der Biegung der Feder 32 mit der Federkonstante kann das Drehmoment, welches das dritte Schultergelenk S3 erfährt, berechnet werden. Der erste APS 34 und der zweite APS 36 stellen eine hohe Messauflösung bereit, um die Drehmomentmesswerte der Drehstellgliedanordnung 26 genau zu ermitteln. Die Verwendung von zwei APS zum Bereitstellen von Drehmomentmesswerten ermöglicht es der Drehstellgliedanordnung 26 zudem, beliebige Biegungen der Feder 32 zu berücksichtigen, wenn der Stellgliedausgang in eine gewünschte Position bewegt wird.
6 ist eine schematische Veranschaulichung im Querschnitt des Motors 28. Der Motor 28 umfasst den Stator 56 und den Rotor 58. Die Bremse 54 umfasst eine Bremsspule 96 und einen Bremsklotz 98. Der Motor 28 weist eine allgemein ringförmige Gestalt auf und ist um die dritte Schulterachse A3 herum montiert. Der Stator 56 und der Rotor 58 des Motors weisen Innendurchmesser auf, die groß genug sind, um zu ermöglichen, dass die Bremse 54 zwischen dem Motor 28 und dem Drahtkanal 52 positioniert wird.
Außerdem umfasst der Motor 28 einen ersten Temperatursensor 100 und die Bremse 54 umfasst einen zweiten Temperatursensor 102, um Temperaturbedingungen des Motors 28 und der Bremse 54 zu detektieren, um eine Überhitzung des Motors 28 und der Bremse 54 zu verhindern.
7 veranschaulicht einen Drehpositionssensor 104. Der Drehpositionssensor 104 ist vorzugsweise ein Positionsmessgeber, der benachbart zu dem Motor 28 und zu der Bremse 54 konzentrisch um die dritte Schulterachse A3 herum positioniert ist. Der Drehpositionssensor 104 umfasst einen ersten stationären Abschnitt 106, der an dem ersten Armstützgerüst 40 montiert ist, und einen zweiten Drehabschnitt 108, der sich mit dem Rotor 58 dreht. Der erste stationäre Abschnitt 106 misst eine Bewegung des relativen zweiten Drehabschnitts 108. Auf diese Weise dient der Drehpositionssensor 104 zur Ermittlung der Drehposition des Rotors 58 des dritten Schultergelenks S3. Dies ermöglicht die Messung und Kompensation beliebiger Verbiegungen, die im Zahnradantrieb 30 oder anderen Antriebsstrangkomponenten zwischen dem Rotor 58 und dem ersten APS 34 beobachtet werden. Als eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme können die Informationen von dem ersten APS 34 (in 4 und 5 gezeigt), dem zweiten APS 36 (in 4 und 5 gezeigt) und dem Drehpositionssensor 104 miteinander verglichen werden. Wenn zwischen den erwarteten Werten des ersten APS 34, des zweiten APS 36 und des Drehpositionssensors 104 eine Diskrepanz detektiert wird, kann eine Bewegung des Gelenks verhindert werden, um es gegen eine Beschädigung des dritten Schultergelenks S3 zu schützen.
Daher werden fünf Sensoren, welche den ersten APS 34, den zweiten APS 36, den ersten Temperatursensor 100, den zweiten Temperatursensor 102 und den Drehpositionssensor 104 umfassen, in die Drehstellgliedanordnung 26 verpackt und mit dieser verwendet.

Claims

Drehstellgliedanordnung (26), die umfasst: ein kreisförmiges Stützgerüst (40), das eine Achse (A3) definiert; einen Motor (28), der in dem Stützgerüst (40) um die Achse (A3) herum montiert ist; einen Zahnradantrieb (30), der mit dem Motor (28) drehend verbunden ist und in dem Stützgerüst (40) um die Achse (A3) herum montiert ist; eine Torsionsfeder (32) mit einem Federeingang (76) und einem Federausgang (78), wobei der Federeingang (76) mit einem Ausgang (70) des Zahnradantriebs (30) drehend verbunden ist und die Torsionsfeder (32) im Stützgerüst (40) montiert ist; einen Gelenkausgang (80), der mit dem Federausgang (78) verbunden ist; einen ersten Absolutpositionssensor (34) mit einem ersten stationären Abschnitt (86) und einem ersten Drehabschnitt (88); einen zweiten Absolutpositionssensor (36) mit einem zweiten stationären Abschnitt (92) und einem zweiten Drehabschnitt (94); wobei der erste stationäre Abschnitt (86) und der zweite stationäre Abschnitt (92) am Stützgerüst (40) befestigt sind; wobei der erste Drehabschnitt (88) am Ausgang (70) des Zahnradantriebs (30) befestigt ist, um die Drehposition des Zahnradantriebausgangs (70) relativ zum Stützgerüst (40) zu erfassen; wobei der zweite Drehabschnitt (94) an dem Federausgang (78) befestigt ist, um die Drehposition des Gelenkausgangs (80) relativ zum Stützgerüst (40) zu erfassen; und wobei die Differenz der Position des ersten Drehabschnitts (88) und des zweiten Drehabschnitts (94) der Betrag einer Biegung der Torsionsfeder (32) ist.
Drehstellgliedanordnung (26) nach Anspruch 1, die ferner umfasst: eine Bremse (54), die im Stützgerüst (40) und um die Achse (A3) herum montiert ist; wobei der Motor (28) eine ringförmige Gestalt aufweist; und wobei mindestens ein Abschnitt der Bremse (54) in der ringförmigen Öffnung zwischen dem Motor (28) und der Achse (A3) positioniert ist.
Drehstellgliedanordnung (26) nach Anspruch 1, wobei ein Rohr (53) im Stützgerüst (40) entlang der Achse (A3) montiert ist und wobei das Rohr (53) einen Drahtkanal (52) definiert, der im Stützgerüst (40) zentral angeordnet ist.
Drehstellgliedanordnung (26) nach Anspruch 1, die ferner umfasst: einen ersten Temperatursensor (100), der im Motor (28) angeordnet ist; einen zweiten Temperatursensor (102), der in der Bremse (54) angeordnet ist; und einen Drehsensor (104), der am Stützgerüst (40) montiert ist, um eine Drehposition des Motorausgangs (64) zu messen.
Drehstellgliedanordnung (26) nach Anspruch 1, wobei die Torsionsfeder (32) mindestens einen harten Anschlag (33) umfasst, um die Drehbiegung der Drehstellgliedanordnung (26) zu begrenzen.
Oberarm- oder Schultergelenk (S3) für einen humanoiden Roboter (10), das umfasst: ein kreisförmiges Armstützgerüst (40), das eine Achse definiert (A3); und eine Drehstellgliedanordnung (26), die in dem Stützgerüst (40) um die Achse (A3) herum montiert ist, wobei die Drehstellgliedanordnung (26) umfasst: einen Motor (28), der um die Achse (A3) herum montiert ist; einen Zahnradantrieb (30), der mit dem Motor (28) drehend verbunden ist; und eine Torsionsfeder (32) mit einem Federeingang (76) und einem Federausgang (78), wobei der Federeingang (76) mit einem Ausgang (70) des Zahnradantriebs (30) drehend verbunden ist; einen ersten Absolutpositionssensor (34) mit einem ersten stationären Abschnitt (86) und einem ersten Drehabschnitt (88); einen zweiten Absolutpositionssensor (36) mit einem zweiten stationären Abschnitt (92) und einem zweiten Drehabschnitt (94); wobei der erste stationäre Abschnitt (86) und der zweite stationäre Abschnitt (92) am Armstützgerüst (40) befestigt sind; wobei der erste Drehabschnitt (88) am Ausgang (70) des Zahnradantriebs (30) befestigt ist, um die Drehposition des Zahnradantriebausgangs (70) relativ zum Armstützgerüst (40) zu erfassen; wobei der zweite Drehabschnitt (94) am Federausgang (78) befestigt ist, um die Drehposition des Gelenkausgangs (80) relativ zum Armstützgerüst (40) zu erfassen; und wobei die Differenz der Position des ersten Drehabschnitts (88) und des zweiten Drehabschnitts (94) der Betrag der Biegung der Torsionsfeder (32) ist.
Oberarm- oder Schultergelenk (S3) nach Anspruch 6, das ferner umfasst: eine Bremse (54), die im Stützgerüst (40) und um die Achse (A3) herum montiert ist; wobei der Motor (28) eine ringförmige Gestalt aufweist; und wobei mindestens ein Abschnitt der Bremse (54) in der ringförmigen Öffnung zwischen dem Motor (28) und der Achse (A3) positioniert ist.
Oberarm- oder Schultergelenk (S3) nach Anspruch 6, das ferner umfasst: einen ersten Temperatursensor (100), der im Motor (28) angeordnet ist; einen zweiten Temperatursensor (102), der in der Bremse (54) angeordnet ist; und einen Drehsensor (104), der an dem Stützgerüst (40) montiert ist, um eine Drehposition des Motorausgangs (64) zu messen.