DE102010045532A1

DE102010045532A1 - Roboterdaumenanodnung

Info

Publication number: DE102010045532A1
Application number: DE102010045532A
Authority: DE
Inventors: Chris A. Hartland Ihrke; Lyndon Houston Bridgwater; Robert Houston Platt; Charles W. Birmingham Wampler II; S. Michael League City Goza
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: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: US20110067520A1; JP2011067936A; JP5357847B2; JP2013237152A; US8424941B2; DE102010045532B4; JP5777673B2

Abstract

Es wird ein verbesserter Roboterdaumen für eine Roboterhandanordnung bereitgestellt. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung stellt eine verbesserte Sehnenverlegung im Roboterdaumen eine Steuerung von vier Freiheitsgraden mit nur fünf Sehnen bereit. Gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung ist einer der fünf Freiheitsgrade eines menschlichen Daumens im Roboterdaumen durch eine permanente Verdrehung in der Gestalt eines Fingerglieds ersetzt. Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Offenbarung umfasst ein Positionssensor einen Magnet mit zwei Abschnitten, die als Kreissegmente mit verschiedenen Mittelpunkten geformt sind. Der Magnet stellt einen linearisierten Ausgang von einem Halleffekt-Sensor bereit.

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 Roboterhände und insbesondere Roboterdaumen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Typische Roboter sind automatisierte Einrichtungen, die zur Manipulation 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. Daher kann eine präzise Bewegungssteuerung eines Roboters 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 arbeiten zusammen, um gemeinsam die erforderliche 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 von dem 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 hergestellt sind. Aufgrund des weiten Spektrums von Arbeitsaufgaben, die möglicherweise von einem humanoiden Roboter erwartet werden, können unterschiedliche Steuerungsmodi gleichzeitig benötigt werden. Zum Beispiel muss eine präzise Steuerung in den verschiedenen vorstehend angegebenen Räumen sowie eine Kontrolle über das angewandte Drehmoment oder die angewandte Kraft, die Bewegung und die verschiedenen Grifftypen angewendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung umfasst eine Roboterhandanordnung eine Basisstruktur, erste, zweite, dritte und vierte Fingerglieder und erste, zweite, dritte und vierte Gelenke. Das erste Gelenk verbindet das erste Fingerglied auf funktionale Weise derart mit der Basisstruktur, dass das erste Fingerglied mit Bezug auf die Basisstruktur um eine erste Achse selektiv drehbar ist. Das zweite Gelenk verbindet das zweite Fingerglied auf funktionale Weise derart mit dem ersten Fingerglied, dass das zweite Fingerglied mit Bezug auf das erste Fingerglied um eine zweite Achse selektiv drehbar ist. Das dritte Gelenk verbindet das dritte Fingerglied auf funktionale Weise derart mit dem zweiten Fingerglied, dass das dritte Fingerglied mit Bezug auf das zweite Fingerglied um eine dritte Achse selektiv drehbar ist. Das vierte Gelenk verbindet das vierte Fingerglied auf funktionale Weise derart mit dem dritten Fingerglied, dass das vierte Fingerglied mit Bezug auf das dritte Fingerglied um eine vierte Achse selektiv drehbar ist.
Fünf Sehnen sind mit den Fingergliedern funktional verbunden, um darauf selektiv eine Kraft auszuüben und dadurch ein Drehmoment an den Gelenken zu erzeugen. Die Sehnen sind derart ausgestaltet, dass das Drehmoment an jedem der ersten, zweiten, dritten und vierten Gelenke durch die fünf Sehnen unabhängig steuerbar ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung umfasst eine Roboterhandanordnung einen Roboterdaumen, der ein erstes Fingerglied und ein zweites Fingerglied und ein Gelenk umfasst, das das erste Fingerglied und das zweite Fingerglied derart verbindet, dass das erste Fingerglied mit Bezug auf das zweite Fingerglied selektiv drehbar ist. Ein Magnet ist mit Bezug auf das erste Fingerglied montiert und weist einen ersten Abschnitt auf, der ein erstes Kreissegment bildet, welches durch einen ersten Mittelpunkt gekennzeichnet ist, und er weist einen zweiten Abschnitt auf, der ein zweites Kreissegment bildet, das durch einen zweiten Mittelpunkt gekennzeichnet ist. Ein Halleffekt-Sensor ist mit Bezug auf das zweite Fingerglied zur Drehung damit mit Bezug auf das erste Fingerglied montiert. Die Gestalt des Magnets sorgt für einen linearisierten Ausgang des Halleffekt-Sensors, wodurch genaue Positionsdaten an ein Steuerungssystem für die Roboterhand geliefert werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung umfasst eine Roboterhandanordnung eine Basisstruktur, erste, zweite, dritte und vierte Fingerglieder und erste, zweite, dritte und vierte Gelenke. Das erste Gelenk verbindet das erste Fingerglied auf funktionale Weise derart mit der Basisstruktur, dass das erste Fingerglied mit Bezug auf die Basisstruktur um eine erste Achse selektiv drehbar ist. Das zweite Gelenk verbindet das zweite Fingerglied auf funktionale Weise derart mit dem ersten Fingerglied, dass das zweite Fingerglied mit Bezug auf das erste Fingerglied um eine zweite Achse selektiv drehbar ist. Das dritte Gelenk verbindet das dritte Fingerglied auf funktionale Weise derart mit dem zweiten Fingerglied, dass das dritte Fingerglied mit Bezug auf das zweite Fingerglied um eine dritte Achse selektiv drehbar ist. Das vierte Gelenk verbindet das vierte Fingerglied auf funktionale Weise derart mit dem dritten Fingerglied, dass das vierte Fingerglied mit Bezug auf das dritte Fingerglied um eine vierte Achse selektiv drehbar ist. Die dritte und vierte Achse verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Das zweite Fingerglied ist durch eine Verdrehung derart gekennzeichnet, dass die zweite Achse zu der dritten und vierten Achse nicht parallel verläuft. Die Verdrehung ersetzt einen der fünf Freiheitsgrade einer menschlichen Hand durch die Verdrehung in der Gestalt des zweiten Fingerglieds.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung eines geschickten humanoiden Roboters mit zwei Händen;
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 Draufsicht auf eine der Hände von 1;
5 ist eine schematische Ansicht von unten der Hand von 4;
6 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Daumens der Hand von 4 und 5;
7 ist eine weitere schematische perspektivische Ansicht eines Daumens der Hand von 4 und 5;
8 ist noch eine weitere schematische perspektivische Ansicht eines Daumens der Hand von 4 und 5;
9 ist eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung an einem Gelenk des Daumens von 6–8;
10 ist ein Graph, der das Verhalten der Sensoranordnung von 9 als eine Funktion der Drehposition des Gelenks darstellt;
11 ist eine schematische Seitenansicht des Daumens von 6–8, die eine Sehnenverlegung darstellt; und
12 ist eine schematische Draufsicht auf den Daumen von 6–8, die eine Sehnenverlegung darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche oder ähnliche Komponenten bezeichnen, zeigt 1 einen geschickten humanoiden Roboter 10, der zum Ausführen einer oder mehrerer Aufgaben mit mehreren 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. In Abhängigkeit von der speziellen Anwendung oder der beabsichtigten Verwendung des Roboters kann der Roboter 10 auch eine für die Aufgabe geeignete Halterung oder Basis (nicht gezeigt) umfassen, wie etwa Beine, Laufflächen oder eine andere bewegliche oder starre Basis. Eine Leistungsversorgung 13 kann an den Roboter 10 einstückig montiert sein, z. B. ein wiederaufladbarer Batteriestapel, der an der Rückseite des Torsos 14 mitgeführt oder getragen wird, oder eine andere geeignete Energieversorgung.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Roboter 10 mit einer Vielzahl von unabhängig und voneinander abhängig bewegbaren Robotergelenken ausgestaltet, wie etwa, aber ohne Einschränkung mit einer Schultergelenkanordnung (Pfeil A), einer Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B), einer Handgelenkanordnung (Pfeil C), einer Nackengelenkanordnung (Pfeil D) und einer Taillengelenkanordnung (Pfeil E) sowie mit den verschiedenen Finger- und Daumengelenkanordnungen (Pfeil F), die zwischen den Fingergliedern jedes Roboterfingers 19 und des Daumens 21 positioniert sind.
Der Arm 16 ist in einen Oberarm 22 und einen Unterarm (oder Vorderarm) 24 unterteilt. Der Oberarm 22 verläuft von der Schultergelenkanordnung (Pfeil A) zu der Ellenbogengelenkanordnung (Pfeil B). Vom Ellenbogengelenk (Pfeil B) weg verlaufen der Unterarm 24, die Hände 18, die Finger 19 und die Daumen 21. Der Einfachheit halber verläuft, wie hier beschrieben, die Aufwärtsrichtung zum Kopf 12 hin und die Abwärtsrichtung zur Taille 15 hin. Da der Roboter 10 zur Simulation eines Humanoiden gedacht ist, wird der Fachmann feststellen, dass der Roboter entlang einer vertikalen Ebene, die den Torso und den Kopf halbiert, im Wesentlichen symmetrisch sein wird und eine im Wesentlichen identische symmetrische Struktur sowohl auf der linken als auch der rechten Seite umfassen wird.
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 nachstehend beschrieben wird. Der Oberarm 22 weist eine Schultergelenkanordnung (Pfeil A) auf, die ein erstes Schultergelenk S1, das einen ersten Freiheitsgrad bereitstellt, und ein zweites Schultergelenk S2, das einen zweiten Freiheitsgrad bereitstellt, und ein drittes Schultergelenk S3 umfasst, das einen dritten Freiheitsgrad bereitstellt. Die ersten bis dritten Schultergelenke 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 SA1 eine zweite Schulterachse SA2 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 SA2 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 SA3. 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 zusammen 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 unter 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 Fingerstellgliedern (und Daumenstellgliedern) 26 und eine Vielzahl von Handgelenkstellgliedern 28. Außerdem sind auch eine Vielzahl von Steuerungseinrichtungen 30 für die Fingerstellglieder 26 und die Handgelenkstellglieder 28 am Unterarm 24 abgestützt. Der Unterarm 24 ist an einem Kraftaufnehmer 32 angebracht, der zur Verbindung des Unterarms 24 mit dem Oberarm 22 verwendet wird. Die Hand 18 umfasst eine Basisstruktur 34, welche die Handfläche 36 der Hand 18 definiert. Die Finger 19 und der Daumen 21 sind an der Handflächenstruktur 34 bewegbar montiert und biegen sich selektiv zu der Handfläche 36 hin, um ein Objekt zu ergreifen, wie etwa dasjenige, das in 1 bei 20 gezeigt ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Daumen 21 proportional in eine Hand 18 eingebaut, die in der Größe mit dem sechzigsten bis fünfundachtzigsten Perzentil der männlichen Menschenhand vergleichbar ist. Insbesondere beträgt bei der dargestellten Ausführungsform die Länge der Hand 18 20,07 cm (7,9 Zoll) (achtzigstes Perzentil eines Menschen); die Breite oder Spannweite der Hand 18 beträgt 9,14 cm (3,6 Zoll) (sechzigstes Perzentil eines Menschen) und der Umfang der Hand (um die Basisstruktur herum) beträgt 22,35 cm (8,8 Zoll) (fünfundachtzigstes Perzentil eines Menschen).
Mit Bezug auf 4 und 5 umfasst der Daumen 21 eine Vielzahl starrer Glieder oder Fingerglieder 38A–D und eine Vielzahl von Gelenken 42A–D. Das Gelenk 42A montiert das Fingerglied 38A drehbar derart an der Basisstruktur 34, dass das Fingerglied 38A mit Bezug auf die Struktur 34 selektiv um eine Achse A1 drehbar ist. Das Gelenk 42B montiert das Fingerglied 38B drehbar derart am Fingerglied 38A, dass das Fingerglied 38B mit Bezug auf das Fingerglied 38A um eine Achse A2 selektiv drehbar ist. Das Gelenk 42C montiert das Fingerglied 38C drehbar derart am Fingerglied 38B, dass das Fingerglied 38C mit Bezug auf das Fingerglied 38B um eine Achse A3 selektiv drehbar ist. Das Gelenk 42D montiert das Fingerglied 38D drehbar derart am Fingerglied 38C, dass das Fingerglied 38D mit Bezug auf das Fingerglied 38C um eine Achse A4 selektiv drehbar ist.
Der Daumen 21 mit vier Fingergliedern 38A–38D und vier unabhängig steuerbaren Gelenken 42A–42D ist daher durch vier Freiheitsgrade gekennzeichnet. Ein menschlicher Daumen wird am genauesten so modelliert, dass er fünf unabhängig steuerbare Gelenke oder Freiheitsgrade aufweist. Der Daumen 21 ist bei der dargestellten Ausführungsform ausgestaltet, um die Posen, die von einem menschlichen Daumen erreicht werden können, mit nur vier Freiheitsgraden genau anzunähern, wodurch er zu der Kompaktheit der Hand 18 beiträgt.
Insbesondere wurde einer der fünf Freiheitsgrade des menschlichen Daumens, nämlich die dynamische Verdrehung zwischen den Achsen A2 und A3 im Roboterdaumen 21 durch eine permanente Winkelverdrehung ersetzt, die in der Gestalt des Fingerglieds 38B ausgebildet ist. Das heißt, dass das Fingerglied 38B derart ausgestaltet und geformt ist, dass die Achse A3 relativ zur Achse A2 linear versetzt und um etwa 40 Grad gedreht ist. Die Achsen A4 und A3 verlaufen parallel zueinander. Wie in 5 und 7 gezeigt ist, schneiden sich die Achsen A1 und A2 nicht, sondern die Achse A2 verläuft in Richtungen, die zu den Richtungen orthogonal sind, in welche die Achse A1 verläuft. Die Achse A2 ist weder parallel noch rechtwinklig zu den Achsen A3 und A4.
Mit Bezug auf 6–8 umfasst der Daumen 21 mindestens zwei Arten von Sensoren zusammen mit einer kompakten Elektronik 46, um die Sensoren zu lesen und Sensordaten stromaufwärts zu übertragen. Die Funktionen der Elektronik 46 umfassen das Bereitstellen von Leistung an die Sensoren, das Aufnehmen analoger Sensordaten, das Umsetzen von analogen Signalen in digitale Signale, das Multiplexen oder Bündeln digitaler Signale und das Weiterleiten von Daten an eine stromaufwärts gelegene Elektronik. Insbesondere umfassen die Sensoren des Daumens 21 taktile Kraftaufnehmer 50A, 50B, die jeweils an einem jeweiligen Fingerglied 38C, 38D montiert sind. Der Daumen 21 umfasst auch eine Vielzahl von Gelenkpositionssensoranordnungen 54A–54D, von denen jede ausgestaltet ist, um die absolute Winkelposition eines jeweiligen der Gelenke 42A–42D und die Winkelposition eines Fingerglieds relativ zu einem damit verbundenen Fingerglied zu messen.
Jede der Gelenkpositionssensoranordnungen 54A–54D umfasst einen jeweiligen Magneten 58A–58D und einen jeweiligen Halleffekt-Sensor 62A–62D (der Halleffekt-Sensor 62A ist in 4 gezeigt). Mit Bezug auf 9 ist die Sensoranordnung 54D beispielhaft für die Sensoranordnungen 54A–54C und folglich sind der Magnet 58D und der Sensor 62D beispielhaft für die Magnete 58A–58C bzw. die Sensoren 62A–62C. Der Magnet 58D ist mit Bezug auf das Fingerglied 38C starr montiert und der Sensor 62D ist mit Bezug auf das Fingerglied 38D starr montiert. Der Magnet 58D ist durch zwei Abschnitte 66, 70 gekennzeichnet. Der Abschnitt 66 ist ein Segment eines Kreises mit einem Mittelpunkt 74 auf der Achse A4. Der Abschnitt 70 ist ein Segment eines Kreises mit einem Mittelpunkt bei 78. Der Nordpol N des Magnets 58D ist an einem Schnittpunkt der Abschnitte 66, 70 angeordnet und der Südpol S des Magnets 58D ist am anderen Schnittpunkt der Abschnitte 66, 70 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Abschnitt 66 den gleichen Radius wie der Abschnitt 70 auf und die konkaven Seiten der Abschnitte 66, 70 weisen zueinander hin. Der Magnet 54D umgibt beide Mittelpunkte 74, 78.
Der Sensor 62D ist am Fingerglied 38D derart positioniert, dass der Sensor 62D eine konstante Distanz vom Abschnitt 66 des Magnets 58D beibehält, wenn sich das Fingerglied 38D mit Bezug auf das Fingerglied 38C um die Achse A4 dreht. Die Gestalt des Magnets 58D und die Anordnung des Sensors 62D stellen eine lineare Beziehung zwischen der Winkelposition des Fingerglieds 38D mit Bezug auf das Fingerglied 38C und die Veränderung beim Magnetfeld, die vom Sensor 62D gelesen wird, bereit. Insbesondere und mit Bezug auf 10 stellt eine Linie 82 das Signal dar, das von einem Halleffekt-Sensor als eine Funktion einer Winkelposition mit Bezug auf einen herkömmlichen runden Magneten (nicht gezeigt) erzeugt wird. Wie durch Linie 82 gezeigt ist, ist das Signal sinusförmig. Eine Linie 86 stellt das Signal dar, das von dem Halleffekt-Sensor 62D als eine Funktion der Winkelposition mit Bezug auf den Magneten 58D erzeugt wird. Wie durch die Linie 86 gezeigt ist, erzeugt die Sensoranordnung 54D ein annähernd lineares Signal über einen verwendbaren Bereich von Winkelpositionen von 150 Grad.
Der Magnet 58A ist mit Bezug auf das Fingerglied 38A montiert und der Sensor 62A ist mit Bezug auf die Basisstruktur 34 montiert, und somit misst die Sensoranordnung 54A die Drehposition des Fingerglieds 38A mit Bezug auf die Basisstruktur 34. Der Magnet 58B ist mit Bezug auf das Fingerglied 38A montiert und der Sensor 62B ist mit Bezug auf das Fingerglied 38B montiert, und somit misst die Sensoranordnung 54B die Drehposition des Fingerglieds 38B mit Bezug auf das Fingerglied 38A. Der Magnet 58C ist mit Bezug auf das Fingerglied 38B montiert und der Sensor 62C ist mit Bezug auf das Fingerglied 38C montiert, und somit misst die Sensoranordnung 54C die Drehposition des Fingerglieds 38C mit Bezug auf das Fingerglied 38B. Der Magnet 58D ist mit Bezug auf das Fingerglied 38C montiert und der Sensor 62D ist mit Bezug auf das Fingerglied 38D montiert, und somit misst die Sensoranordnung 54D die Drehposition des Fingerglieds 38D mit Bezug auf das Fingerglied 38C.
Mit Bezug auf 11, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten aus 1–10 bezeichnen, wird eine Bewegung der Fingerglieder 38A–38D um die Gelenke 42A–42D durch Robotersehnen 90A–90E bewerkstelligt, d. h. flexible Elemente wie etwa Kabel. Jede der Sehnen 90A–90E ist mit einem jeweiligen Stellglied (in 3 bei 26 gezeigt) im Vorderarm (in 3 bei 24 gezeigt) auf funktionale Weise verbunden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die Stellglieder 26 Elektromotoren, die mit den Sehnen 90A–90E durch Antriebsmechanismen auf funktionale Weise verbunden sind, welche ausgestaltet sind, um die Drehbewegung der Motoren in eine lineare Bewegung umzusetzen, um die Sehnen 90A–90E anzutreiben. Die Platzierung der Stellglieder und Antriebsmechanismen im Vorderarm 24 und/oder im Handgelenk trägt zu der Kompaktheit der Hand 18 bei.
Das Verlegen der Sehnen 90A–90E mit Bezug auf die Gelenke 42A–D und die Achsen A1–A4 ermöglicht, dass der Daumen 21 durch vier Freiheitsgrade unter Verwendung nur der fünf Sehnen 90A–90E vollständig gesteuert wird. Zwei gegeneinander wirkende Sehnen 90A, 90B steuern das distale Nickgelenk 42D und zwei gegeneinander wirkende Sehnen 90C, 90D steuern das mittlere Nickgelenk 42C. Ein Ende der Sehne 90A ist mit dem Fingerglied 38D an einer Seite des Gelenks 42D und der Achse A4 funktional derart verbunden, dass eine Spannung in der Sehne 90A eine Drehung des Fingerglieds 38D mit Bezug auf das Fingerglied 38C um die Achse A4 in eine erste Richtung 94 bewirkt. Ein Ende der Sehne 90B ist mit dem Fingerglied 38D an der der Sehne 90A gegenüberliegenden Seite des Gelenks 42D und der Achse A4 derart verbunden, dass eine Spannung in der Sehne 90B eine Drehung des Fingerglieds 38D mit Bezug auf das Fingerglied 38C um die Achse A4 in eine zweite Richtung 98 bewirkt, die zur ersten Richtung 94 entgegengesetzt ist.
Ein Ende der Sehne 90C ist mit dem Fingerglied 38C an einer Seite des Gelenks 42C und der Achse A3 funktional derart verbunden, dass eine Spannung in der Sehne 90C eine Drehung des Fingerglieds 38C mit Bezug auf das Fingerglied 38B um die Achse A3 in die erste Richtung 94 bewirkt. Ein Ende der Sehne 90D ist mit dem Fingerglied 38C an der der Sehne 90C gegenüberliegenden Seite des Gelenks 42C und der Achse A3 funktional derart verbunden, dass eine Spannung in der Sehne 90D eine Drehung des Fingerglieds 38C mit Bezug auf das Fingerglied 38B um die Achse A3 in die zweite Richtung 98 bewirkt. Eine Drehung der Fingerglieder in die erste Richtung 94 bewirkt, dass sich die Fingerglieder zu der Handfläche 36 hin drehen, und somit ermöglicht eine Drehung der Fingerglieder in die erste Richtung 94, dass die Hand 18 ein Objekt ergreift. Eine Drehung der Fingerglieder in die zweite Richtung 98 bewirkt, dass sich die Fingerglieder von der Handfläche 36 wegdrehen und bewirkt somit, dass der Daumen 21 einen Griff am Objekt löst.
Die Sehne 90A ist an der palmaren Seite oder Handflächenseite der Gelenke 42B–D und der Achsen A2–A4 verlegt. Die Sehne 90B befindet sich an der Handflächenseite des Gelenks 42B und der Achse A2 und auf der nicht-palmaren oder der Handfläche abgewandten Seite der Gelenke 42C und 42D und der Achsen A3 und A4. Die Sehne 90C ist an der Handflächenseite der Gelenke 42B und 42C und der Achsen A2 und A3 verlegt. Die Sehne 90D ist an der Handflächenseite des Gelenks 42B und der Achse A2 verlegt. Die Sehne 90E ist an der der Handflächenseite abgewandten Seite der Achse A2 verlegt.
Das Verlegen der Sehnen 90A–90D an der Handflächenseite der Achse A2 des proximalen Nickgelenks 42B ermöglicht, dass die Sehnen 90A–90D zum Schließen des Gelenks 42B verwendet werden, d. h. zum Drehen des Fingerglieds 38B mit Bezug zum Fingerglied 38A um die Achse A2. Die Spannung in allen diesen Sehnen 90A–90D wird aufsummiert, um ein Greifmoment zu maximieren, das auf das proximale Nickgelenk 42B aufgebracht wird. Ein Öffnen des proximalen Nickgelenks 42B wird durch die Sehne 90E gesteuert, die so verlegt ist, dass sie den anderen vier Sehnen 90A–90D an der gegenüberliegenden Seite der Achse A2 entgegenwirkt.
Mit Bezug auf 12, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten aus 1–11 bezeichnen, gibt es keine Sehnen, die einer Steuerung der Position des Basisrollgelenks 42A gewidmet sind. Stattdessen sind vier der fünf Sehnen 90A–90D an einander gegenüberliegenden Seiten der Achse A1 des Basisrollgelenks 42A verlegt und das Gleichgewicht der Spannung in diesen vier Sehnen 90A–90D wird manipuliert, um die Position des Gelenks 42A und entsprechend die Winkelposition des Fingerglieds 38A mit Bezug auf die Basisstruktur 34 zu steuern. Insbesondere sind die Sehnen 90A und 90B an einer Seite des Gelenks 42A und der Achse A1 verlegt und die Sehnen 90C und 90D sind an einer anderen Seite des Gelenks 42A und der Achse A1 verlegt. Das Gleichgewicht der Spannungen zwischen den Sehnen 90A und 90B und den Sehnen 90C und 90D steuert die Winkelposition des Fingerglieds 38A mit Bezug auf das Basiselement (in 4–5 bei 34 gezeigt).
Mit der in 11 und 12 gezeigten Verlegung der Sehnen ist es möglich, zu zeigen, wie die vier Gelenkmomente unabhängig steuerbar sind, wie auch die gesamte interne Spannung. Unter der Annahme, dass alle Hebelarme gleich sind, gilt T₁ = A – B + C + D; T₂ = A + B + C + D – E; T₃ = A – B + C – D, und T₄ = A – B, wobei A die Spannung in der Sehne 90A ist, B die Spannung in der Sehne 90B ist, C die Spannung in der Sehne 90C ist, D die Spannung in der Sehne 90D ist, E die Spannung in der Sehne 90E ist, T₁ das Moment am Gelenk 42A ist, T₂ das Moment am Gelenk 42B ist, T₃ das Moment am Gelenk 42C ist und T₄ das Moment am Gelenk 42D ist. Um einen befohlenen Satz von Gelenkmomenten zu erhalten, werden die folgenden Gleichungen angewendet: A = –T₁/4 + T₂/5 + T₄/2 + t/4; B = –T₁/4 + T₂/5 – T₄/2 + t/4; C = T₁/4 + T₂/5 + T₃/2 – T₄/2 + t/4; D = T₁/4 + T₂/5 – T₃/2 – T₄/2 + t/4; und E = –T₂/5 + t, wobei t ein interner Spannungsfaktor ist, der groß genug ist, um alle Spannungen positiv zu halten. Fachleute werden erkennen, wie diese Gleichungen modifiziert werden müssen, wenn die Hebelarme nicht gleich sind oder wenn sie sich mit dem Drehwinkel der Gelenke ändern.
Obwohl die Sehnen 90A–E in 11 und 12 so dargestellt sind, dass sie außerhalb der Fingerglieder 38A–38D angeordnet sind, wird angemerkt, dass jede der Sehnen durch einen jeweiligen internen Führungskanal verlegt ist, der in den Fingergliedern 38A–38D ausgebildet ist. Abschnitte der internen Führungskanäle im Fingerglied 38B sind in 7 bei 102A–102E gezeigt. Mit Bezug auf 7 und 11–12 ist die Sehne 90A durch einen Führungskanal 102A verlegt; die Sehne 90B ist durch einen Führungskanal 102B verlegt; die Sehne 90C ist durch einen Führungskanal 102C verlegt; die Sehne 90D ist durch einen Führungskanal 102D verlegt; und die Sehne 90E ist durch einen Führungskanal 102E verlegt. Die Winkelverdrehung bei der Gestalt des Fingerglieds 38B führt zu gebogenen Führungskanälen 102A–102D; beispielhafte Verfahren zum Ausbilden der Führungskanäle 102A–102D umfassen Gießen und direktes Metall-Lasersintern (DMLS).
Obwohl in 11 und 12 die Achse A2 parallel zu den Achsen A3 und A4 zu verlaufen scheint, wird auch angemerkt, dass die Achse A2 relativ zu den Achsen A3 und A4 verdreht ist, wie in 4 und 5 gezeigt ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt der Bewegungsbereich des Gelenks 42A (Basisrollgelenk) 0° bis 80°; der Bewegungsbereich des Gelenks 42B (proximales Nickgelenk) beträgt 0° bis 100°; der Bewegungsbereich des Gelenks 42C (mittleres Nickgelenk) beträgt 0° bis 80° und der Bewegungsbereich des Gelenks 42D (distales Nickgelenk) beträgt –30° bis 90°.
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

Roboterhandanordnung, die umfasst: eine Basisstruktur; erste, zweite, dritte und vierte Fingerglieder; ein erstes Gelenk, welches das erste Fingerglied mit der Basisstruktur auf funktionale Weise derart verbindet, dass das erste Fingerglied mit Bezug auf die Basisstruktur um eine erste Achse selektiv drehbar ist; ein zweites Gelenk, welches das zweite Fingerglied mit dem ersten Fingerglied auf funktionale Weise derart verbindet, dass das zweite Fingerglied mit Bezug auf das erste Fingerglied um eine zweite Achse selektiv drehbar ist; ein drittes Gelenk, welches das dritte Fingerglied mit dem zweiten Fingerglied auf funktionale Weise derart verbindet, dass das dritte Fingerglied mit Bezug auf das zweite Fingerglied um eine dritte Achse selektiv drehbar ist; und ein viertes Gelenk, welches das vierte Fingerglied mit dem dritten Fingerglied auf funktionale Weise derart verbindet, dass das vierte Fingerglied mit Bezug auf das dritte Fingerglied um eine vierte Achse selektiv drehbar ist; fünf Sehnen, die mit den Fingergliedern auf funktionale Weise verbunden sind, um selektiv eine Kraft darauf auszuüben und dadurch ein Moment an den Gelenken zu erzeugen; wobei die Sehnen derart ausgestaltet sind, dass das Moment an jedem der Gelenke durch die fünf Sehnen unabhängig steuerbar ist.
Roboterhandanordnung nach Anspruch 1, wobei die fünf Sehnen erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Sehnen umfassen; wobei die erste Sehne mit dem vierten Fingerglied auf funktionale Weise derart verbunden ist, dass eine Spannung in der ersten Sehne das vierte Fingerglied zur Drehung um die vierte Achse in eine erste Richtung drängt; wobei die zweite Sehne mit dem vierten Fingerglied auf funktionale Weise derart verbunden ist, dass eine Spannung in der zweiten Sehne das vierte Fingerglied zur Drehung um die vierte Achse in eine zweite Richtung drängt; wobei die dritte Sehne mit dem dritten Fingerglied auf funktionale Weise derart verbunden ist, dass eine Spannung in der dritten Sehne das dritte Fingerglied zur Drehung um die dritte Achse in die erste Richtung drängt; wobei die vierte Sehne mit dem dritten Fingerglied auf funktionale Weise derart verbunden ist, dass eine Spannung in der vierten Sehne das dritte Fingerglied zur Drehung und die dritte Achse in die zweite Richtung drängt; wobei die fünfte Sehne mit dem zweiten Fingerglied auf funktionale Weise derart verbunden ist, dass eine Spannung in der fünften Sehne das zweite Fingerglied zur Drehung um die zweite Achse drängt.
Roboterhandanordnung nach Anspruch 2, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Sehne an einer ersten Seite der Achse A2 verlegt sind.
Roboterhandanordnung nach Anspruch 3, wobei die fünfte Sehne an einer zweiten Seite der Achse A2 gegenüber der ersten Seite der Achse A2 verlegt ist.
Roboterhandanordnung nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Sehne an einer ersten Seite der ersten Achse verlegt sind; und wobei die zweite und dritte Sehne an einer zweiten Seite der ersten Achse gegenüber der ersten Seite der ersten Achse verlegt sind.
Roboterhandanordnung nach Anspruch 5, wobei die fünfte Sehne die erste Achse schneidet.
Roboterhandanordnung, die umfasst: einen Roboterdaumen, der ein erstes Fingerglied und ein zweites Fingerglied umfasst; ein Gelenk, welches das erste Fingerglied und das zweite Fingerglied derart verbindet, dass das erste Fingerglied mit Bezug auf das zweite Fingerglied selektiv drehbar ist; einen Magnet, der mit Bezug auf das erste Fingerglied montiert ist und einen ersten Abschnitt aufweist, der ein erstes Kreissegment bildet, das durch einen ersten Mittelpunkt gekennzeichnet ist, und der einen zweiten Abschnitt aufweist, der ein zweites Kreissegment bildet, das durch einen zweiten Mittelpunkt gekennzeichnet ist; und einen Halleffekt-Sensor, der mit Bezug auf das zweite Fingerglied zur Drehung damit mit Bezug auf das erste Fingerglied montiert ist.
Roboterhandanordnung nach Anspruch 7, wobei der Halleffekt-Sensor und der Magnet derart angeordnet sind, dass der Halleffekt-Sensor über einen Drehbereich des zweiten Fingerglieds hinweg eine konstante Distanz zum ersten Abschnitt beibehält.
Roboterhandanordnung nach Anspruch 8, wobei der Drehbereich mindestens 150 Grad beträgt.
Roboterhandanordnung nach Anspruch 7, wobei der Magnet den ersten und zweiten Mittelpunkt umgibt.