DE102010045555B4

DE102010045555B4 - Roboterfingeranordnung

Info

Publication number: DE102010045555B4
Application number: DE102010045555.5A
Authority: DE
Inventors: Chris A. Ihrke; Lyndon Bridgwater; Myron A. Diftler; Douglas Martin Linn; Robert Platt; Brian Hargrave; Scott R. Askew; Michael C. Valvo
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: 2010-09-16
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: US8857874B2; JP5241781B2; DE102010045555A1; US20130193704A1; US8562049B2; US20110068595A1; JP2011067931A

Abstract

Roboterhandanordnung (18), die umfasst:einen Roboterfinger (19A, 19B, 19C, 19D), der ein erstes Fingerglied (38D) und ein zweites Fingerglied (38A) umfasst;ein Gelenk (42A), welches das erste Fingerglied (38D) und das zweite Fingerglied (38A) derart miteinander verbindet, dass das erste Fingerglied (38D) mit Bezug auf das zweite Fingerglied (38A) selektiv drehbar ist;einen Magnet (58A), der mit Bezug auf das erste Fingerglied (38D) montiert ist und einen ersten Abschnitt (66) aufweist, der ein erstes Kreissegment bildet, das durch einen ersten Mittelpunkt (74) gekennzeichnet ist, und der einen zweiten Abschnitt (70) aufweist, der ein zweites Kreissegment bildet, das durch einen zweiten Mittelpunkt (78) gekennzeichnet ist; undeinen Halleffekt-Sensor (62A), der mit Bezug auf das zweite Fingerglied (38A) zur Drehung damit mit Bezug auf das erste Fingerglied (38D) derart montiert ist, dass der Halleffekt-Sensor (62A) eine konstante Distanz von dem ersten Abschnitt (66) des Magnets (58A) beibehält, wenn sich das zweite Fingerglied (38A) mit Bezug auf das erste Fingerglied (38D) dreht, wobei der Halleffektsensor (62A) außerhalb einer von den Abschnitten (66, 70) des Magnets (58A) umschlossenen Fläche angeordnet ist.

Description

Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung unter dem NASA Space Act Agreement mit der Nr. SAA-AT-07-003 durchgeführt. Die Regierung kann einige Rechte an der Erfindung besitzen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Roboterhände und insbesondere Roboterfinger.
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 wirken zusammen, um gemeinsam die benötigte Mobilität, Geschicklichkeit und arbeitsaufgabenbezogene Funktionalität des Roboters zu erreichen.
Humanoide Roboter sind insbesondere Roboter mit einer annähernd menschlichen Gestalt oder einem annähernd menschlichen Erscheinungsbild, 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 abhängt, die ausgeführt wird. Die Verwendung von humanoiden Robotern 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 möglicherweise von einem humanoiden Roboter erwartet werden, können verschiedene Steuerungsmodi gleichzeitig benötigt werden. Zum Beispiel muss eine präzise Steuerung in den verschiedenen oben erwähnten Räumen sowie eine Kontrolle über das angewendete Drehmoment oder die angewendete Kraft, die Bewegung und die verschiedenen Grifftypen angewendet werden.
Die US 4 986 723 A offenbart einen antropomorphen Roboterarm mit einer Hand mit mehreren Fingern und einem Daumen, wobei die Fingerglieder durch Sehnen bewegt werden können. Die Fingerspitzenglieder werden durch eine Drahtverbindung mit einem über ein Gelenk verbundenen Fingermittelglied bewegt, ohne dass dafür eine weitere Sehne benötigt wird.
In der US 2007 / 0 040 400 A1 sind antropomorphe Greiforgane offenbart, die eine Winkeländerung von Fingergelenken über Kombinationen von Magneten und Halleffekt-Sensoren erfassen.
Die DE 101 39 154 A1 offenbart einen Winkelstellungssensor mit einem ersten und zweiten Magnet, die an einer Oberfläche eines Rotors voneinander getrennt angebracht sind. Ein erster und ein zweiter Konzentrator sind um den Umfang des Rotors einander gegenüberliegend angeordnet und in einem Zwischenraum zwischen den Konzentratoren ist ein Halleffekt-Sensor angeordnet.
In der US 2001 / 0 028 174 A1 ist eine Hand mit mehreren Fingern offenbart, bei denen ein Gestänge verwendet wird, das mit Bezug auf ein erstes und drittes Fingerglied jeweils drehbar montiert ist, um ein zweites und drittes Gelenk kinematisch zu koppeln.
Die EP 1 820 610 A1 offenbart eine Roboterhand mit mehreren Fingern, bei der eine passive Steifigkeit der Hand und/oder der Finger durch Steifigkeits-Einstellelemente eingestellt werden kann.
In der WO 2008 / 058 061 A2 ist ein robuster nachgiebiger Robotergreifer offenbart, bei dem Greiferfinger über ein gedämpftes Gelenk mit einer Basis verbunden sind.
Die US 2007/0103149 A1 offenbart eine Drehwinkel-Detektionsvorrichtung mit zwei getrennten kreissegmentförmigen Magneten, zwischen denen ein Magnetfeldsensor angeordnet ist. Wenn sich die Magnete relativ zum Magnetfeldsensor drehen, ändert sich das vom Magnetfeldsensor erfasste Magnetfeld und daraus wird ein Drehwinkel ermittelt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Roboterhand bereitzustellen, die eine genaue Messung der Stellung einzelner Fingerglieder eines Fingers der Roboterhand zueinander ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Roboterhandanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine Roboterhandanordnung einen Roboterfinger mit einem ersten Fingerglied und einem zweiten Fingerglied, und 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. Ein Magnet ist mit Bezug auf das erste Fingerglied montiert und weist einen ersten Abschnitt, der ein erstes Kreissegment bildet, das durch einen ersten Mittelpunkt gekennzeichnet ist, und 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 derart montiert, dass der Halleffekt-Sensor eine konstante Distanz von dem ersten Abschnitt des Magnets beibehält, wenn sich das zweite Fingerglied mit Bezug auf das erste Fingerglied dreht, wobei der Halleffektsensor außerhalb einer von den Abschnitten des Magnets umschlossenen Fläche angeordnet ist. Die Gestalt des Magnets stellt einen linearisierten Ausgang des Halleffekt-Sensors bereit, wodurch genaue Positionsdaten an ein Steuerungssystem für die Roboterhand bereitgestellt werden.
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 werden.
Figurenliste

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 perspektivische Ansicht eines Fingers von einer der Hände von 1 in einer ersten Position;
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Fingers von 4 in einer zweiten Position; und
6 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Fingers von 4 und 5 in einer dritten Position;
7 ist eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts des Fingers von 4;
8 ist eine weitere schematische Seitenansicht des Abschnitts des Fingers von 7;
9 ist eine schematische Seitenansicht des Fingers von 4, die eine Sehnenverlegung darstellt;
10 ist eine graphische Darstellung, welche die Position eines der Gelenke im Finger als eine Funktion der Position eines anderen der Gelenke im Finger zeigt;
11 ist eine schematische Draufsicht auf den Daumen von 4, welche eine Sehnenverlegung zeigt;
12 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Fingers von 4, der mit einem Schwingungsdämpfer an der Basisstruktur montiert ist;
13 ist eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung an einem Gelenk des Fingers von 4;
14 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Schwingungsdämpfers von 12;
15 ist eine weitere schematische perspektivische Ansicht des Fingers von 4;
16 ist noch eine weitere schematische perspektivische Ansicht des Fingers von 4;
17 ist noch eine weitere schematische perspektivische Ansicht des Fingers von 4;
18 ist eine schematische perspektivische Ansicht mit weggeschnittenen Teilen eines Fingerglieds und einer Sensoranordnung, die für die Fingerglieder des Fingers von 4 repräsentativ sind; und
19 ist eine schematische Explosionsansicht des Fingerglieds und der Sensoranordnung von 18.

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 19A - 19D 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 etwa Beine, Laufflächen oder eine andere bewegliche oder starre Basis. Eine Leistungsversorgung 13 kann an dem 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 Leistungsversorgung.
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 Finger- und Daumengelenkanordnungen (Pfeil F), die zwischen den Fingergliedern jedes Roboterfingers 19A - 19D und des Daumens 21 positioniert sind, ist aber nicht darauf beschränkt.
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 verläuft zur Taille 15 hin. Fachleute werden feststellen, dass der Roboter im Wesentlichen symmetrisch um eine vertikale Ebene sein wird, welche den Torso und den Kopf halbiert, und im Wesentlichen eine identische symmetrische Struktur sowohl an der linken als auch der rechten Seite umfasst, da der Roboter 10 zur Simulation eines Humanoiden gedacht ist.
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. 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 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 S2 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 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 19A - 19D und den Daumen 21 umfasst. Der Unterarm 24 umfasst eine Vielzahl von Finger- (und Daumen-) Stellgliedern 26 und eine Vielzahl von Handgelenkstellgliedern 28. Zudem 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 zum Verbinden 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 19A - 19D und der Daumen 21 sind an der Basisstruktur 34 bewegbar montiert und krümmen 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 die Hand 18 in der Größe vergleichbar mit derjenigen eines sechzigsten bis fünfundachtzigsten Perzentils einer männlichen Menschenhand. Insbesondere beträgt bei der dargestellten Ausführungsform die Länge der Hand 18 20,07 cm (7,9 Zoll) (achtzigstes Perzentil eines Menschen); die Breite oder Weite 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 - 7 entspricht der Finger 19A bei der Position und Funktion einem menschlichen Zeigefinger. Der Finger 19A umfasst ein Basiselement 37, das mit der Basisstruktur 34 der Hand 18 funktional verbunden ist. Der Finger 19A umfasst auch eine Vielzahl von starren Gliedern oder Fingergliedern 38A - 38D und vier Gelenke 42A - 42D. Das Gelenk 42A verbindet das proximale Fingerglied 38A mit der Basisstruktur 34 auf funktionale Weise derart, dass das Fingerglied 38A mit Bezug auf die Struktur 34 um eine Achse A1 selektiv drehbar ist. Das Gelenk 42B montiert das Fingerglied 38B am Fingerglied 38A drehbar derart, dass das Fingerglied 38B mit Bezug auf das Fingerglied 38A um eine Achse A2 selektiv drehbar ist. Das Gelenk 42C montiert das Fingerglied 38C am Fingerglied 38B drehbar derart, dass das Fingerglied 38C mit Bezug auf das Fingerglied 38B um eine Achse A3 selektiv drehbar ist. Die Achsen A1, A2, A3 verlaufen parallel zueinander.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist das proximale Fingerglied 38A mit der Basisstruktur 34 durch das Fingerglied 38D, das Gelenk 42D und das Basiselement 37 funktional verbunden. Insbesondere montiert das Gelenk 42A das Fingerglied 38A drehbar am Fingerglied 38D; das Gelenk 42D montiert das Fingerglied 38D drehbar am Basiselement 37, so dass das Fingerlied 38D und entsprechend die Fingerglieder 38A - 38C mit Bezug auf das Basiselement 37 und die Basisstruktur 34 um eine Achse A4 selektiv drehbar sind. Die Achse A4 ist rechtwinklig zu den Achsen A1, A2 und A3. Das Gelenk 42D ermöglicht somit eine Drehung des Fingers 19A nach rechts und nach links.
Mit Bezug auf 7 - 8 umfasst der Finger 19A ein Gestänge 43. Ein Ende des Gestänges 43 ist durch ein Gelenk 44A mit dem Fingerglied 38A drehbar derart verbunden, dass das Gestänge 43 mit Bezug auf das Fingerglied 38A um eine Achse selektiv drehbar ist, die parallel zu den Achsen A1, A2 und A3 verläuft. Das andere Ende des Gestänges 43 ist durch ein Gelenk 44B mit dem Fingerglied 38C drehbar derart verbunden, dass das Gestänge 43 mit Bezug auf das Fingerglied 38C um eine Achse selektiv drehbar ist, die zu den Achsen A1, A2 und A3 parallel verläuft. Folglich wirken die Fingerglieder 38A - 38C und das Gestänge 43 zusammen, um ein Gestänge mit vier Stäben zu definieren.
Mit Bezug auf 9, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten aus 1 - 8 bezeichnen, wird eine Bewegung der Fingerglieder 38A - 38D um die Gelenke 42A - 42D durch Robotersehnen 46A - 46D bewerkstelligt, d.h. flexible Elemente wie etwa Kabel. Jede der Sehnen 46A - 46D ist mit einem jeweiligen Stellglied (in 3 bei 26 gezeigt) im Vorderarm (in 3 bei 24 gezeigt) funktional verbunden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die Stellglieder 26 Elektromotoren, die mit den Sehnen 46A - 46D durch Antriebsmechanismen funktional verbunden sind, welche ausgestaltet sind, um die Drehbewegung der Motoren in eine lineare Bewegung umzusetzen, um die Sehnen 46A - 46D anzutreiben. Die Platzierung der Stellglieder und der Antriebsmechanismen im Vorderarm 24 und/oder im Handgelenk trägt zu der Kompaktheit der Hand 18 bei.
Das Verlegen der Sehnen 46A - 46D bezüglich der Gelenke 42A - 42D und der Achsen A1 - A4 ermöglicht, dass der Finger 19A unter Verwendung nur der vier Sehnen 46A - 46D durch drei Freiheitsgrade vollständig gesteuert wird. Zwei einander entgegenwirkende Sehnen 46A, 46B steuern das mittlere Nickgelenk 42B und zwei einander entgegenwirkende Sehnen 46C, 46D steuern das proximale Nickgelenk 42A. Ein Ende der Sehne 46B ist mit dem Fingerglied 38B an einer Seite des Gelenks 42B und der Achse A2 derart funktional verbunden, dass eine Spannung in der Sehne 46B eine Drehung des Fingerglieds 38B mit Bezug auf das Fingerglied 38A um die Achse A2 in eine erste Richtung 48 bewirkt. Ein Ende der Sehne 46A ist mit dem Fingerglied 38B an der der Sehne 46B gegenüberliegenden Seite des Gelenks 42B und der Achse A2 funktional derart verbunden, dass eine Spannung in der Sehne 46A eine Drehung des Fingerglieds 38B mit Bezug auf das Fingerglied 38A um die Achse A2 in eine zweite Richtung 52 bewirkt, die der ersten Richtung 48 entgegengesetzt ist.
Ein Ende der Sehne 46D ist mit dem Fingerglied 38A an einer Seite des Gelenks 42A und der Achse A1 funktional derart verbunden, dass eine Spannung in der Sehne 46D eine Drehung des Fingerglieds 38A mit Bezug auf das Fingerglied 38D um die Achse A1 in die erste Richtung 48 bewirkt. Ein Ende der Sehne 46C ist mit dem Fingerglied 38A an der der Sehne 46D gegenüberliegenden Seite des Gelenks 42A und der Achse A1 funktional derart verbunden, dass eine Spannung in der Sehne 46C eine Drehung des Fingerglieds 38A mit Bezug auf das Fingerglied 38D um die Achse A1 in die zweite Richtung 52 bewirkt. Eine Drehung der Fingerglieder in die erste Richtung 48 bewirkt, dass sich die Fingerglieder zu der Handfläche 36 hindrehen, wie in 5 - 6 gezeigt ist, und somit ermöglicht eine Drehung der Fingerglieder in die erste Richtung 48, dass die Hand 18 ein Objekt ergreift. Eine Drehung der Fingerglieder in die zweite Richtung 52 bewirkt, dass sich die Fingerglieder von der Handfläche 36 wegdrehen, und bewirkt somit, dass der Finger 19A einen Griff am Objekt löst.
Wieder mit Bezug auf 7 - 8 ist das Gelenk 42C über das Gestänge 43 kinematisch mit dem Gelenk 42B gekoppelt und somit hängt die Winkelposition des Gelenks 42C von der Winkelposition des Gelenks 42B ab. Folglich hängt die Drehposition des Fingerglieds 38C mit Bezug auf das Fingerglied 38B von der Drehposition des Fingerglieds 38B mit Bezug auf das Fingerglied 38A ab. Insbesondere wird der zwischen den Fingergliedern 38C und 38B gebildete Winkel β durch den zwischen den Fingergliedern 38B und 38A gebildeten Winkel α bestimmt: eine Verringerung von α bewirkt eine entsprechende Verringerung bei β. Eine beispielhafte Beziehung zwischen der Drehposition von Gelenk 42C und Gelenk 42B ist in 10 dargestellt.
Mit Bezug auf 10 ist der Winkel des Gelenks 42C als eine Funktion des Winkels des Gelenks 42B gezeigt. Es kann wünschenswert sein, dass die Funktion so linear ist, wie es die Konstruktionsbeschränkungen des Fingers 19A zulassen. Das Gestänge mit vier Stäben, welches die Fingerglieder 38A - 38C und das Gestänge 43 umfasst, ist derart konstruiert, dass das Gestänge 43 ein geradliniges Element zwischen seinen Stangenenden ist und beim Greifen unter Spannung steht. Bei einer Ausführungsform ist das Gestänge 43 ein starres Element; bei einer anderen Ausführungsform ist das Gestänge 43 ein nachgiebiges Element, etwa eine Feder, um beim Greifen eine Nachgiebigkeit des distalen Nickgelenks 42C zu erreichen.
Folglich steuern die Sehnen 46A und 46B die Position des Gelenks 42C über ihre Steuerung des Gelenks 42B. Ein menschlicher Finger wird allgemein so aufgefasst, dass er über vier unabhängig steuerbare Freiheitsgrade verfügt. Durch die kinematische Kopplung der Gelenke 42B und 42C nähert der Finger 19A auf effektive Weise mit nur drei unabhängig steuerbaren Freiheitsgraden die Posen an, die von einem menschlichen Finger erreichbar sind, wodurch die Sehnen beseitigt werden, die zur unabhängigen Steuerung des Gelenks 42D benötigt würden.
Mit Bezug auf 11, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten aus 1 - 11 bezeichnen, gibt es keine Sehnen, die dem Steuern der Position des Giergelenks 42D gewidmet sind. Stattdessen sind die Sehnen 46A und 46B an einer Seite des Gelenks 42D und der Achse A4 verlegt und die Sehnen 46C und 46D sind an einer anderen Seite des Gelenks 42D und der Achse A4 verlegt. Das Gleichgewicht der Spannung in diesen vier Sehnen 46A - 46D wird manipuliert, um die Position des Gelenks 42D und entsprechend die Winkelposition der Fingerglieder 38A - 38D mit Bezug auf die Basisstruktur 34 zu steuern.
Mit Bezug auf 12 umfasst der Finger 19A mindestens zwei Typen von Sensoren. Insbesondere umfassen die Sensoren von Finger 19A taktile Kraftaufnehmer 54A - 54C, von denen jeder an ein jeweiliges Fingerglied 38A - 38C montiert ist. Der Finger 19A umfasst auch eine Vielzahl von Gelenkpositionssensoranordnungen 56A - 56C, von denen jede ausgestaltet ist, um die absolute Winkelposition eines jeweiligen der Gelenke 42A - 42C und die relative Winkelposition eines Fingerglieds relativ zu einem verbundenen Fingerglied zu messen. Jede der Gelenkpositionssensoranordnungen 56A - 56C umfasst einen jeweiligen Magneten 58A - 58C und einen jeweiligen Halleffekt-Sensor 62A - 62C.
Mit Bezug auf 13 ist die Sensoranordnung 56A repräsentativ für die Sensoranordnungen 56B und 56C und folglich sind der Magnet 58A und der Sensor 62A repräsentativ für die Magnete 58B, 58C bzw. die Sensoren 62B, 62C. Der Magnet 58A ist mit Bezug auf das Fingerglied 38D starr montiert und der Sensor 62A ist mit Bezug auf das Fingerglied 38A starr montiert. Der Magnet 58A ist durch zwei Abschnitte 66, 70 gekennzeichnet. Der Abschnitt 66 ist ein Segment eines Kreises mit einem Mittelpunkt 74 auf der Achse A1. Der Abschnitt 70 ist ein Segment eines Kreises mit einem Mittelpunkt bei 78. Der Nordpol N des Magnets 58A ist an einem Schnittpunkt der Abschnitte 66, 70 angeordnet und der Südpol S des Magnets 58A 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 sind zueinander hin gewandt. Der Magnet 58A umgibt beide Mittelpunkte 74, 78.
Der Sensor 62A ist am Fingerglied 38A derart positioniert, dass der Sensor 62A, wenn sich das Fingerglied 38A mit Bezug auf das Fingerglied 38D um die Achse A1 dreht, eine konstante Distanz vom Abschnitt 66 des Magnets 58A beibehält. Die Gestalt des Magnets 58A und die Platzierung des Sensors 62A stellen eine lineare Beziehung zwischen der Winkelposition des Fingerglieds 38A mit Bezug auf das Fingerglied 38D und der Magnetfeldänderung bereit, die vom Sensor 62A gelesen wird. Bei der dargestellten Ausführungsform erzeugt die Sensoranordnung 56A über einen verwendbaren Bereich von Winkelpositionen von 150 Grad ein annähernd lineares Signal.
Der Magnet 58A ist mit Bezug auf das Fingerglied 38D montiert und der Sensor 62A ist mit Bezug auf das Fingerglied 38A montiert, und somit misst die Sensoranordnung 56A die Drehposition des Fingerglieds 38A mit Bezug auf das Fingerglied 38D. Der Magnet 58B ist mit Bezug auf das Fingerglied 38B montiert und der Sensor 62B ist mit Bezug auf das Fingerglied 38A montiert, und somit misst die Sensoranordnung 56B die Drehposition des Fingerglieds 38B mit Bezug auf das Fingerglied 38A. Der Magnet 58C ist mit Bezug auf das Fingerglied 38C montiert und der Sensor 62C ist mit Bezug auf das Fingerglied 38B montiert, und somit misst die Sensoranordnung 56C die Drehposition des Fingerglieds 38C mit Bezug auf das Fingerglied 38B. Eine (nicht gezeigte) Sensoranordnung, die im Wesentlichen identisch zu den Sensoranordnungen 56A - 56C ist, misst die Position des Fingerglieds 38D mit Bezug auf das Basiselement 37, wenn sich das Fingerglied 38D um die Achse A4 dreht.
Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt der Bewegungsbereich des Gelenks 42A (proximales Nickgelenk) -10° bis 95°; der Bewegungsbereich des Gelenks 42B (mittleres Nickgelenk) beträgt 0° bis 120°; der Bewegungsbereich des Gelenks 42C (distales Nickgelenk) beträgt 0° bis 70°; und der Bewegungsbereich des Gelenks 42D (Giergelenk) beträgt -20° bis 20°.
Mit Bezug auf 12 und 14 ist der Finger 19A an der Basisstruktur 34 durch einen Schwingungsdämpfer 82 montiert. Der Schwingungsdämpfer 82 umfasst eine Keilwelle 86, einen Haltering 90 und eine Feder 94. Die zylindrische Welle 86 steht in einem verschiebbaren Eingriff in einem zylindrischen Hohlraum 98, der durch die Basisstruktur 34 definiert ist. Der rechteckige Keil 102 erstreckt sich in einem rechteckigen Abschnitt 106 des Hohlraums 98, um eine Drehung der Welle 86 mit Bezug auf die Struktur 34 zu verhindern. Der Haltering 90 ist größer als der Hohlraum 98 und hält somit die Welle 86 im Hohlraum 98 fest. Die Feder 94 spannt die Welle 86 nach außen vor und absorbiert Stöße, die möglicherweise auf den Finger 19A ausgeübt werden.
Obwohl die Sehnen 46A - 46D in 9 und 11 so dargestellt sind, dass sie außerhalb der Fingerglieder 38A - 38D verlaufen, wird angemerkt, dass jede der Sehnen durch einen jeweiligen internen Führungskanal verlegt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Sehnen 46A - 46D geflochtene Polymere. Mit Bezug auf 15 umfasst der Finger 19A Einsätze, wie etwa diejenigen, die bei 110A, 110B, 110C gezeigt sind, bei denen eine Gleitreibung der Sehnen 46A - 46D auftritt. Die Einsätze 110A, 110B, 110C sind weicher und schwächer als das Strukturmaterial der Fingerglieder 38A - 38D und sind selektiv austauschbar. Bei einer Ausführungsform umfassen die Sehnen 46A - 46D Vectran® und die Einsätze 110A, 110B, 110C sind aus Bronze.
Mit Bezug auf 16 und 17 ist der Finger 19A ausgestaltet, um für jedes Paar von einander entgegenwirkenden Sehnen einen jeweiligen bidirektionalen Sehnenabschluss 114A, 114B aufzunehmen. Insbesondere erstreckt sich die Sehne 46A an der nicht palmaren oder dorsalen Seite der Achsen A1 und A2 und ist über den Sehnenabschluss 114A am Fingerglied 38B montiert. Die Sehne 46B erstreckt sich an der palmaren Seite der Achsen A1 und A2 und ist über den Sehnenabschluss 114A am Fingerglied 38B montiert. Auf ähnliche Weise erstreckt sich die Sehne 46C auf der nicht palmaren Seite der Achse A1 und ist durch den Sehnenabschluss 114B am Fingerglied 38A montiert. Die Sehne 46D erstreckt sich an der palmaren Seite der Achse A1 und ist durch den Sehnenabschluss 114B am Fingerglied 38A montiert.
Mit Bezug auf 18 ist ein Fingerglied 38 in einer perspektivischen Ansicht mit weggeschnittenen Teilen gezeigt. Das Fingerglied 38 ist für die Fingerglieder 38A - 38C repräsentativ und der Sensor 54 ist für die Sensoren 54A - 54C repräsentativ. Das Fingerglied 38 definiert eine Kammer 118, die durch eine Öffnung 122 gekennzeichnet ist. Eine kompakte Elektronikeinrichtung 126 ist in der Kammer 118 enthalten. Die Funktionen der Elektronikeinrichtung 126 umfassen das Bereitstellen von Leistung an die Sensoren, das Aufnehmen analoger Sensordaten, das Umsetzen analoger Signale in Digitalsignale, das Bündeln der Digitalsignale und das Weiterleiten von Daten an eine stromaufwärts gelegene Elektronikeinrichtung. Wieder mit Bezug auf 16 umfasst der Finger 19A einen zentralen Kanal 128, der sich über die Länge des Fingers 19A erstreckt, um die Verdrahtung aufzunehmen, die zum Verbinden der Sensoren, der kompakten Elektronikeinrichtung und der stromaufwärts gelegenen Elektronikeinrichtung benötigt wird.
Mit Bezug auf 18 und 19 umfasst der Sensor 54 eine Sensorabdeckung 130 und eine Sensoranordnung 134. Die Sensoranordnung 134 erzeugt Sensorsignale in Ansprechen auf Lasten, die auf die Sensorabdeckung 130 aufgebracht werden, und überträgt die Sensorsignale an die Elektronikeinrichtung 126. Die Sensoranordnung 134 ist allgemein C-förmig und ist an jedem Ende durch einen Flansch 138, 142 gekennzeichnet. Jeder Flansch 138, 142 grenzt an eine jeweilige Schulter 146, 150 an, die von dem Fingerglied 38 gebildet wird. Die Flansche 138, 142 der Sensoranordnung 134 definieren teilweise auch jeweilige Nuten 154, 158.
Ein C-förmiger Haltebügel 162 umfasst einen Flansch 166, 170 an jedem Ende. Der Haltebügel 162 erstreckt sich über die Öffnung 122, um die Kammer 118 und die darin enthaltene Elektronikeinrichtung 126 einzuschließen. Jeder Flansch 166, 170 steht in Eingriff mit einer jeweiligen der Nuten 154, 158, um den Haltebügel 162 an der Sensoranordnung 134 zu befestigen und um die Sensoranordnung 134 am Fingerglied 38 festzuhalten. Die Abdeckung 130 ist durch Schrauben 174 an der Sensoranordnung 134 montiert.
Wieder mit Bezug auf 16 ist der Finger 19A so konstruiert, dass er eine handschuh- oder hautähnliche Abdeckung (nicht gezeigt) zum Schutz vor der Umgebung und zum Bereitstellen von Greifoberflächen für die taktilen Sensoren, die für eine spezielle Aufgabe geeignet sind, aufnimmt. Der Finger 19A umfasst eine Vielzahl von mit Gewinde versehenen Befestigungslöchern 178, die zum Befestigen der handschuh- oder hautähnlichen Abdeckung am Finger entworfen sind, wodurch ein Rutschen an den kritischen Stellen verhindert wird.
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 (18), die umfasst: einen Roboterfinger (19A, 19B, 19C, 19D), der ein erstes Fingerglied (38D) und ein zweites Fingerglied (38A) umfasst; ein Gelenk (42A), welches das erste Fingerglied (38D) und das zweite Fingerglied (38A) derart miteinander verbindet, dass das erste Fingerglied (38D) mit Bezug auf das zweite Fingerglied (38A) selektiv drehbar ist; einen Magnet (58A), der mit Bezug auf das erste Fingerglied (38D) montiert ist und einen ersten Abschnitt (66) aufweist, der ein erstes Kreissegment bildet, das durch einen ersten Mittelpunkt (74) gekennzeichnet ist, und der einen zweiten Abschnitt (70) aufweist, der ein zweites Kreissegment bildet, das durch einen zweiten Mittelpunkt (78) gekennzeichnet ist; und einen Halleffekt-Sensor (62A), der mit Bezug auf das zweite Fingerglied (38A) zur Drehung damit mit Bezug auf das erste Fingerglied (38D) derart montiert ist, dass der Halleffekt-Sensor (62A) eine konstante Distanz von dem ersten Abschnitt (66) des Magnets (58A) beibehält, wenn sich das zweite Fingerglied (38A) mit Bezug auf das erste Fingerglied (38D) dreht, wobei der Halleffektsensor (62A) außerhalb einer von den Abschnitten (66, 70) des Magnets (58A) umschlossenen Fläche angeordnet ist.
Roboterhandanordnung (18) nach Anspruch 1, wobei ein Nordpol (N) des Magnets (58A) an einem ersten Schnittpunkt des ersten Abschnitts (66) und des zweiten Abschnitts (70) angeordnet ist und ein Südpol (S) des Magnets (58A) an einem zweiten Schnittpunkt des ersten Abschnitts (66) und des zweiten Abschnitts (70) angeordnet ist.