DE102010056607A1

DE102010056607A1 - Kontinuierliche oder quasikontinuierliche kinematische Kette mit einem sensorischen System

Info

Publication number: DE102010056607A1
Application number: DE201010056607
Authority: DE
Inventors: Roland Behrens; Dr. Elkmann Norbert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche kinematische Kette (1) mit einem sensorischen System zur Erfassung einer räumlichen Konfiguration der kinematischen Kette (1), die eine räumliche Abfolge von flexiblen Segmenten (2) aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Segmenten (2) und an den Enden der Abfolge jeweils ein im Wesentlichen starres Begrenzungselement (3) angeordnet ist, wobei alle benachbarten Begrenzungselemente (3) jeweils durch ein Verbindungselement (7 (20, 21, 30) des Systems dazu angeordnet und eingerichtet sind, Längen der Verbindungselemente (7) sowie Winkel zwischen den Verbindungselementen (7) und den Begrenzungselementen (3) zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche kinematische Kette mit einem sensorischen System zur Erfassung einer räumlichen Konfiguration der kinematischen Kette. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Erfassen einer räumlichen Konfiguration einer derartigen Kette.
Unter einer diskreten kinematischen Kette wird im Folgenden ein System aus starren Körpern verstanden, die durch bewegliche Gelenke miteinander verbunden sind, wobei die Gelenke jeweils nur einen Freiheitsgrad aufweisen. Ein Beispiel sind Industrieroboterarme mit sechs Drehgelenken, deren Drehwinkel jeweils einen unabhängigen Freiheitsgrad des Roboterarms darstellen. Zu jedem Punkt innerhalb des Arbeitsraums eines derartigen Roboterarms gehört dann ein eindeutig bestimmter Satz von sechs Drehwinkeln. Dabei ist der Arbeitsraum einer kinematischen Kette definiert durch alle Raumpunkte, die die kinematische Kette mit einem Ende erreichen kann, wenn ihr anderes Ende ortsfest ist. Eine typische Eigenschaft von diskreten kinematischen Ketten ist, dass ihre Konfigurationsräume nicht überbestimmt sind, dass also jedem Punkt im Arbeitsraum einer diskreten kinematischen Kette genau eine Einstellung der Gelenke entspricht. In bestimmten Fällen können die Konfigurationsräume geringfügig überbestimmt sein, so dass es also Bereiche im Arbeitsraum gibt, in denen eine geringe Anzahl von Freiheitsgraden der Kette frei einstellbar sind. Der Konfigurationsraum einer kinematischen Kette wird gebildet durch alle möglichen Konfigurationen einer kinematischen Kette. Dabei sind die Konfigurationen (Punkte im Konfigurationsraum) der kinematischen Kette jeweils durch die Werte bzw. Einstellungen der Freiheitsgrade der kinematischen Kette, wie etwa die Gelenkeinstellungen einer diskreten kinematischen Kette, definiert.
Im Gegensatz hierzu wird unter einer kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen kinematischen Kette eine räumliche Abfolge von flexiblen Segmenten verstanden. Diese flexiblen Segmente weisen jeweils eine Vielzahl von Freiheitsgraden auf. Die Konfigurationsräume kontinuierlicher und quasikontinuierlicher kinematischer Ketten sind hochgradig überbestimmt, das heißt, in den meisten Punkten innerhalb ihrer Arbeitsräume ist eine Vielzahl von Freiheitsgraden frei einstellbar. Kontinuierliche und quasikontinuierlichen kinematischen Ketten bezeichnet man aufgrund dieser Eigenschaft häufig auch als „kinematisch hyperredundant”.
Eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche kinematische Kette ist also aufgrund einer Vielzahl von Freiheitsgraden der Kette entlang ihres Verlaufs in ihrer räumlichen Konfiguration hochgradig flexibel bzw. veränderlich. Dabei können sich ihre einzelnen Segmente in der Regel in ihren Längen wie auch in ihrer Krümmung (Form) kontinuierlich verändern.
Die Segmente einer quasikontinuierlichen Kette weisen einzelne Gelenke entlang des Verlaufs der Kette auf. Diese Gelenke bestehen meistens aus starren Materialien. Die Freiheitsgrade eines Segments einer quasikontinuierlichen kinematischen Kette sind also abzählbar viele. Zur Erzielung der kinematischen Hyperredundanz sind die einzelnen Gelenke quasikontinuierlicher kinematischer Ketten entlang des Verlaufs der Kette möglichst dicht hintereinander angeordnet.
Im Unterschied zu quasikontinuierlichen kinematischen Ketten enthalten die Segmente kontinuierlicher kinematischer Ketten keine Gelenke aus starren Materialien, sondern sind im Wesentlichen aus plastisch verformbaren oder elastischen Materialien aufgebaut. Daher weisen die Segmente kontinuierlicher kinematischer Ketten überabzählbar viele Freiheitsgrade auf.
Zur weiteren Verdeutlichung des Unterschiedes zwischen diskreten, quasikontinuierlichen und kontinuierlichen Ketten sei auch auf 6A bis 6C verwiesen.
Im Folgenden soll unter einer kinematischen Kette oder einer Kette immer eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche kinematische Kette verstanden werden.
In derartigen Ketten ist zwischen zwei benachbarten Segmenten und an den Enden der räumlichen Abfolge der Segmente jeweils ein im Wesentlichen starres Begrenzungselement angeordnet. Es ist bekannt, dass sich die räumliche Konfiguration einer solchen Kette durch eine Bestimmung der relativen Lagen der Begrenzungselemente bestimmen lässt. Beispielsweise weist der „Handling-Assistent” der Firma Festo, eine kontinuierliche kinematische Kette, ein sensorisches System zur Bestimmung der räumlichen Konfiguration der Kette auf. Die kinematische Kette ist mit einem Ende an einer Plattform fixiert, von der außerdem Messfäden ausgehen, die außerdem an Begrenzungselementen der Kette befestigt sind. Mittels Sensoren werden Längenänderungen der Fäden gemessen, über die sich mittels eines geometrischen Modells für die Segmente der Kette die Konfiguration der Kette näherungsweise berechnet wird. Aufgrund von Formabweichungen der Kette von einer dem geometrischen Modell zugrunde gelegten Idealform der Kette, insbesondere mechanischer Belastung der Kette, kommt es allerdings zu modellbedingten, systematischen Ungenauigkeiten bei einer derartigen Bestimmung des aktuellen Verlaufs der Kette.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche kinematische Kette mit einem sensorischen System vorzuschlagen, das eine möglichst genaue Erfassung der räumlichen Konfiguration der Kette ermöglicht. Insbesondere soll dabei die Genauigkeit der Erfassung der Konfiguration der Kette möglichst nicht von einer mechanischen Belastung der Kette abhängen. Es soll ferner ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Konfiguration einer kinematischen Kette vorgeschlagen werden, welches auch bei einer mechanischen Belastung der Kette und bei ungewollten Verformungen der Kette aufgrund einer derartigen Belastung möglichst genau ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche kinematische Kette sowie durch ein Verfahren zum Erfassen einer räumlichen Konfiguration einer derartigen Kette gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen sowie Weiterentwicklungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße kontinuierliche oder quasikontinuierliche kinematische Kette mit einem sensorischen System zur Erfassung einer räumlichen Konfiguration der kinematischen Kette weist demnach eine räumliche Abfolge von flexiblen Segmenten auf, wobei zwischen zwei benachbarten Segmenten und an den Enden der Abfolge jeweils ein im Wesentlichen starres Begrenzungselement angeordnet ist. Dabei ist nun entscheidend, dass alle benachbarten Begrenzungselemente jeweils durch ein Verbindungselement miteinander verbunden sind, wobei Sensorelemente des Systems dazu angeordnet und eingerichtet sind, Längen der Verbindungselemente sowie Winkel zwischen den Verbindungselementen und den Begrenzungselementen zu messen.
Mittels der genannten Verbindungselemente und Sensorelemente ist es möglich, die Abstände und Winkel zwischen den einzelnen Begrenzungselementen direkt zu messen, ohne geometrischen Modellannahmen über den Verlauf oder die Form der Segmente der Kette treffen zu müssen. Sind nämlich der aktuelle geometrische Ort und die Ausrichtung eines der Begrenzungselemente bekannt, beispielsweise des Begrenzungselements an einem ersten Ende der kinematischen Kette, so lassen sich iterativ auch die aktuellen geometrischen Orte und Ausrichtungen aller anderen Begrenzungselemente anhand der gemessenen Längen der Verbindungselemente und der Winkel zwischen den Verbindungselementen und den Begrenzungselementen bestimmen.
In einer Weiterentwicklung der Kette ist vorgesehen, dass mindestens eines der Verbindungselemente über eine als Drehlager ausgestaltete Aufhängung mit den Begrenzungselementen verbunden ist. Dabei sind zum Messen von Drehwinkeln der Drehlager Winkelsensoren vorgesehen. Dabei ist es möglich, dass mindestens eines der Drehlager mindestens zwei voneinander unabhängige Drehachsen aufweist, an denen jeweils ein Winkelsensor zum Messen eines Drehwinkels der Drehachse angeordnet ist. Beispielsweise kann ein solches Drehlager zwei oder drei unabhängige Drehachsen aufweist. Vorzugsweise sind die Drehachsen des Drehlagers orthogonal zueinander ausgerichtet. Dabei ist es möglich das Drehlager beispielsweise als ein kardanisches Lager (im Folgenden auch als kardanische Aufhängung bezeichnet) auszugestalten.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eines der Verbindungselemente mit einem als Seilzugpotentiometer ausgestalteten Sensorelement verbunden ist, mit dem sich eine Länge des Verbindungselements messen lässt. Es ist außerdem möglich, dass mindestens eines der Verbindungselemente eine Durchlaufwinde sowie einen Winkelsensor zur Messung eines Drehwinkels der Durchlaufwinde umfasst, um anhand des Drehwinkels die Länge des Verbindungselementes zu messen. Vorzugsweise umfasst das Verbindungselement ferner einen Faden oder einen Draht, der durch die Durchlaufwinde hindurchgeführt ist.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass mindestens eines der Verbindungselemente mittels eines Federelementes gespannt ist. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass das Verbindungselement auch bei einer Änderung des Abstandes der beiden Begrenzungselemente, mit denen das Verbindungselement verbunden ist, gespannt ist.
In einer Ausführungsform der kinematischen Kette ist vorgesehen, dass mindestens eines der Verbindungselemente einen Faden, einen Draht, eine Feder oder eine Stange umfasst. Dabei hat eine Stange, insbesondere eine teleskopartig verlängerbare Stange, den Vorteil, dass sie die Messung einer Torsion der Kette ermöglicht. Im Fall, dass die Kette im Wesentlichen torsionssteif ausgeführt ist, kann auf eine Messung eines entsprechenden Torsionswinkels zwischen den einzelnen Begrenzungselementen in der Regel verzichtet werden. Insbesondere ist es dann oft ausreichend, nur zwei Winkel zwischen einem Verbindungselement und einem Begrenzungselement zu messen. Entsprechend sind dann Drehlager mit nur zwei voneinander unabhängigen Drehachsen ausreichend.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eines der Verbindungselemente durch eine Entkopplungsausnehmung in einem der Segmente durch dieses Segment ohne einen Berührungskontakt mit diesem Segment hindurchverläuft. Es ist auch möglich, dass alle Verbindungselemente auf diese Weise durch die Segmente hindurchgeführt werden, ohne Berührungskontakte mit diesen Segmenten zu haben. Durch eine derartige mechanische Entkopplung durch entsprechende Entkopplungsausnehmungen aller dieser Segmente kann eine ungewollte Verformung der Verbindungselemente durch Berührungen mit den Segmenten vermieden werden. Die Verbindungselemente stehen somit ausschließlich mit den Begrenzungselementen bzw. mit an den Begrenzungselementen verbundenen Aufhängungen in einem direkten Berührungskontakt.
Es ist natürlich auch möglich, dass mindestens eines oder sogar alle Verbindungselemente teilweise oder vollständig außerhalb der Segmente verlaufen. Auch hier können entsprechende Entkopplungsausnehmungen vorgesehen sein, um einen Berührungskontakt der Verbindungselemente mit den Segmenten zu verhindern.
In einer Weiterentwicklung der kinematischen Kette ist vorgesehen, dass das sensorische System eine Auswerteeinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, anhand der gemessenen Längen und Winkel der Verbindungselemente die räumliche Konfiguration der kinematischen Kette zu ermitteln.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den 1 bis 5 gezeigten speziellen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei bezeichnen wiederkehrende Bezugszeichen gleiche Merkmale. Es zeigt:
1 eine kinematische Kette hier vorgeschlagener Art mit Antriebselementen,
2A die in 1 gezeigte kinematische Kette mit einem sensorischen System,
2B die in 1 gezeigte kinematischen Kette mit lokalen Koordinatensystemen an Begrenzungselementen der Kette,
2C zwei benachbarte Begrenzungselemente der in 1 gezeigten kinematischen Kette,
3 eine kardanische Aufhängung eines der Verbindungselemente der in 1 gezeigten kinematischen Kette,
4 eine weitere kardanische Aufhängung mit einer Längenmesseinheit für eines der Verbindungselemente der in 1 gezeigten kinematischen Kette und
5 die Längenmesseinheit der in 4 gezeigten Aufhängung,
6A eine diskrete kinematische Kette,
6B eine quasikontinuierliche kinematische Kette und
6C eine kontinuierliche kinematische Kette.
In 1 ist eine quasikontinuierliche kinematische Kette 1 hier vorgeschlagener Art schematisch dargestellt. Sie umfasst eine räumliche Abfolge mehrere flexibler Segmente 2. In diesem Beispiel sind vier derartige Segmente vorgesehen, es könnten aber auch weniger (mindestens zwei) oder beliebig viele sein. Zwischen zwei benachbarten Segmenten 2 (zwei Segmente heißen benachbart, wenn in der linearen Abfolge der Kette 1 kein drittes Segment zwischen den beiden Segmenten angeordnet ist) ist jeweils ein im Wesentlichen starres, also möglichst nicht deformierbares, Begrenzungselement 3 vorgesehen. Ferner sind auch an den beiden Enden der Abfolge der Kette 1 jeweils ein solches Begrenzungselement 3 angeordnet, welches im Folgenden als das erste bzw. das letzte Begrenzungselement der Kette 1 bezeichnet wird. An dem letzten Begrenzungselement 3 kinematischen Kette 1 ist ein Greifer 5 mit verbunden. Ferner ist die Kette 1 über das erste Begrenzungselement 3 an einem Träger 6 befestigt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind in jedem Segment 2 jeweils drei individuell mittels einer Steuereinheit 13 der Kette ansteuerbare Antriebselemente 4 der Kette 1 angeordnet. Die Antriebselemente 4 sind jeweils über ihren beiden Enden mit den an das Segment 2 angrenzenden Begrenzungselementen 3 verbunden. Die Antriebselementelemente 4 umfassen jeweils elastische Kammern 4' (nur teilweise dargestellt), die sich in Abhängigkeit von einem Druck eines hydraulischen oder pneumatischen Mediums im Innern der Kammern 4' dehnen und zusammenziehen können, wodurch eine Längenänderung der einzelnen Antriebslemente bewirkt werden kann. Durch die Steuereinheit 13, die über Schläuche (hier nicht dargestellt) mit den einzelnen Kammern 4' verbunden ist, kann der Druck in den Kammern 4' jeweils einzeln und unabhängig eingestellt werden. Somit lassen sich über die Drücke in dem Kammern 4' der Antriebselemente 4 die Länge wie auch die Form (Krümmung, Verlauf, etc.) jedes der Segmente 2 einstellen und steuern.
Neben den genannten hydraulischen oder pneumatischen Medien kommen auch elektroaktive Medien, wie etwa elektroaktive Polymere (EAP), in Frage, die sich ähnlich einem natürlichen Muskel verformen, wenn an sie eine elektrische Spannung angelegt wird. Bei der Verwendung von elektroaktiven Medien werden diese Medien in den Antriebselementen 4 mit der Steuereinheit 13 über elektrische Leitungen verbunden. Die Steuereinheit 13 ist dann ferner dazu eingerichtet, durch Anlegen entsprechender elektrischer Spannungen in den einzelnen Antriebselementen 4 die Längen und Formen jedes der Segmente 2 einzustellen und zu steuern.
Die Beweglichkeit und die Flexibilität der kinematischen Kette 1 wird also im Wesentlichen ausschließlich durch die Flexibilität der Segmente 3 erzielt, wohingegen die Begrenzungselemente möglichst steif und starr ausgestaltet sind. Die gezeigte kinematische Kette ist ferner im Wesentlichen torsionssteif ausgeführt. Zur Kraftübertragung in den Segmenten der Kette können alternativ zu den oben beschriebenen hydraulischen, pneumatischen oder elektroaktiven Antriebselementen auch Koppelgetriebe in den Segmenten 2 vorgesehen sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die flexiblen Segmente 2 langgestreckt ausgeformt. Die Segmente 2 haben insbesondere eine größere Längenausdehnung (gemessen entlang des Verlaufs der kinematischen Kette 1) als die starren Begrenzungselemente 3, um eine möglichst große Flexibilität der Kette zu erzielen. Ferner sind die Längenausdehnungen der Segmente 2 größer als deren Durchmesser (gemessen senkrecht zum Verlauf der Kette 1), wohingegen die Verbindungselemente 3 jeweils einen Durchmesser aufweisen, der größer als die Längenausdehnung der Begrenzungselemente ist. Im gezeigten Beispiel gleichen die Durchmesser der Begrenzungselemente 3 den Durchmessern der Segmente 2, an die sie angrenzen. Es ist aber auch möglich, Begrenzungselemente vorzusehen, die größere oder kleinere Durchmesser aufweisen als die an sie angrenzenden Segmente 2.
In 2A ist die in 1 abgebildete kinematische Kette 1 noch einmal schematisch dargestellt, wobei nun anstelle der Antriebselemente 4 Teile eines sensorisches Systems der kinematischen Kette 1 gezeigt sind. Insbesondere sind Verbindungselemente 7 dargestellt, wobei jedes der Verbindungselemente 7 jeweils vollständig innerhalb eines der Segmente 2 verläuft und mit seinen Enden jeweils über Aufhängungen 8 und 8' mit den beiden an das Segment 3 angrenzenden Begrenzungselementen 3 verbunden ist, vgl. auch 2C. Wie in den 3 und 4 ausführlicher beschrieben wird, sind die Aufhängungen 8 und 8' kardanische Lager, die jeweils zwei (oder möglicherweise auch drei) Drehachsen sowie Sensorelemente aufweisen, die Drehwinkel dieser Drehachsen messen. Ferner ist jedes der Verbindungselemente 7 mit einer Längenmesseinheit verbunden, die in einer der in 4 gezeigten Aufhängungen 8' integriert ist und mit dem jeweils die Länge des Verbindungselements 7 gemessen wird. Diese Längenmesseinheiten werden anhand 5 näher erläutert.
In 2A sind Bezugsebenen 9 eingezeichnet, welche jeweils durch eines der Begrenzungselemente 3 hindurchlaufen und durch die Lage des jeweiligen Begrenzungselementes 3 festgelegt sind. Wie in 2B dargestellt ist, definieren diese lediglich gedachten (nicht materiellen) Bezugsebenen 9 jeweils XY-Ebenen von lokalen kartesischen Koordinatensystemen, wobei zu jedem der Begrenzungselemente 3 ein solches lokales Koordinatensystem gehört. Die jeweils senkrecht zu den XY-Ebenen stehenden Z-Achsen dieser (kartesischen) Koordinatensysteme durchlaufen die XY-Ebenen in den Ursprüngen der lokalen Koordinatensysteme, die jeweils durch einen Punkt 10 dargestellt. Im Folgenden werden diese Koordinatenursprünge 10 in den Begrenzungselementen 3 auch als Koppelpunkte 10 bezeichnet.
Über die Messung der Längen der Verbindungselemente 7 sowie der Winkel, die diese Verbindungselemente 7 jeweils mit den Begrenzungselementen 3 (genauer: mit den Koordinatenachsen der jeweiligen lokalen Koordinatensysteme) einschließen, können die Abstände 1 und die relativen Ausrichtungen (Verkippungen, relative Euler-Winkel) dieser lokalen Koordinatensysteme zueinander bestimmt werden. Aus diesen relativen Lagen der lokalen Koordinatensysteme können wiederum Vorschriften für Koordinatentransformationen zwischen diesen lokalen Koordinatensystemen bestimmt werden. Durch eine geeignete Verkettung (Hintereinanderausführungen) dieser Koordinatentransformationen können insbesondere alle Koppelpunkte 10 der Kette 1 in Koordinaten des lokalen Koordinatensystems des am Träger 6 befestigten Begrenzungselementes 3 umgerechnet werden. Da dieses Koordinatensystem mit dem Träger 6 fest verbunden und somit raumfest ist, wird es im Folgenden auch als Referenzsystem (Inertialsystem) bezeichnet. Mit der Kenntnis der Koordinaten der Koppelpunkte 10 der Kette 2 in diesem Referenzsystem (und der Ausrichtung der lokalen Koordinatensysteme relativ zum Referenzsystem) ist insbesondere auch die räumliche Konfiguration der Kette bekannt.
Außerdem ist es auf diese Weise möglich, die Koordinaten eines Messpunktes 11 am Greifer 5 im Referenzsystem zu berechnet. Hierzu werden zunächst die Koordinaten dieses Messpunktes 11 zunächst in dem lokalen Koordinatensystem des am Greifer 5 angrenzen den letzten Begrenzungselementes 3 der Kette 1 gemessen und anschließend durch sukzessive Koordinatentransformationen in das Referenzsystem umgerechnet.
Die bereits genannten Sensorelemente des sensorischen Systems der Kette 1 (explizit dargestellt in den 3 bis 5) sind mit einer Auswerteeinheit 12 verbunden, die zur Verarbeitung der Messsignale der Sensorelemente wie auch zur Durchführung der beschriebenen Koordinatentransformationen eingerichtet ist. Die Auswerteeinheit 12 ist ferner dazu eingerichtet, Ausgangssignale zu erzeugen, in denen die aktuelle geometrische Konfiguration der Kette, die aktuellen geometrischen Orte der Koppelpunkte 10, die aktuellen geometrischen Lagen und Ausrichtungen der Begrenzungselemente 3 und/oder der geometrische Ort des Messpunktes 11 des Greifers 5, jeweils ausgedrückt in den kartesischen Koordinaten des Referenzsystems, kodiert sind.
Die Steuereinheit 13 ist mit der Auswerteeinheit 12 verbunden und eingerichtet, die Ausgangssignale der Auswerteeinheit 12 bei der Steuerung der Antriebselemente 4 der kinematischen Kette 1 zu berücksichtigen. Insbesondere können auf diese Weise ungewollte Deformationen der Segmente 2, etwa aufgrund der Eigengewichte der der Segmente 2, aufgrund der Gewichtskraft einer mit dem Greifer 5 erfassten Last und/oder aufgrund dynamischer Trägheitskräfte der Kette 1 oder der Last berücksichtigt werden und ggf. mittels einer in der Steuereinheit implementierten Regelungslogik kompensiert werden, etwa durch geeignete Druckanpassungen in den Kammern 4' der Antriebselemente 4. Ferner ist es somit möglich, den Koppelpunkt 10 im letzten Begrenzungselement 3 am Ende der kinematischen Kette 1 sowie den Messpunkt 11 am Greifer 5 jederzeit genau zu orten und zu platzieren, und zwar unabhängig von auf die Kette 1 einwirkenden Kräften und resultierenden Deformationen der Kette.
Die Verbindungselemente 7, die in diesem Ausführungsbeispiel durch Fäden gegeben sind, sind zwischen den Aufhängungen 8 und 8' eingespannt. Sie verlaufen vollständig innerhalb der jeweiligen Segmente 2 und zwischen den zu den jeweiligen Segmenten 2 gehörigen Begrenzungselementen 3. Dabei verlaufen die Verbindungselemente innerhalb von Entkopplungsbereichen 14 innerhalb der Segmente 2. Diese Entkopplungsbereiche 14 sind in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Begrenzungselementen 3 und den Antriebselementen 4 der Segmente 2 angeordnet. Auf diese Weise sind die Verbindungselemente 7 ausschließlich mit den Aufhängungen 8 und 8' in einem Berührungskontakt, berühren aber in keinem Fall die Segmente 3 oder die Antriebselemente 4. Somit wird jedwede ungewollte Deformation der Verbindungselemente 7, hervorgerufen durch einen Berührungskontakt mit den Segmenten 3 oder den Antriebselementen 4, ausgeschlossen. Somit können Messfehler bezüglich der Längen der Verbindungselemente 7 oder der Winkel zwischen den Verbindungselementen 7 und den Begrenzungselementen 3 durch ungewollte Verformungen der Verbindungselemente 7 ausgeschlossen werden.
In 3 ist eine der Aufhängungen 8 schematisch dargestellt, welche eines der Verbindungselemente 7 mit einem der Begrenzungselemente 3 der in 1 und 2 gezeigten kinematischen Kette 1 verbindet. Die Aufhängung 8 ist als ein kardanisches Lager ausgestaltet und umfasst einen Rahmen 15 sowie ein äußeres kardanisches Ringelement 16 und ein inneres kardanisches Ringelement 17. Das äußere Ringelement 16 ist über eine äußere Drehachse 18 mit dem Rahmen 15 verbunden. Das innere Ringelement 17 ist über eine innere Drehachse 19 mit dem äußeren Ringelement 16 verbunden, wobei die innere Drehachse 18 orthogonal zur äußeren Drehachse ausgerichtet ist. In der gezeigten Ausgangslage der Aufhängung sind die Drehwinkel der Drehachsen jeweils 0°. Beide Drehachsen verlaufen in der Ausgangslage ferner jeweils parallel zur Bezugsebene 9, die dem Begrenzungselement 3 der gezeigten Aufhängung zugeordnet ist, vgl. 2A und 2C. Aufgrund der starren Verbindung zwischen der äußeren Drehachse 18 mit dem Rahmen 15 und der starren Verbindung des Rahmens 15 mit dem starren Begrenzungselement 3, ist die äußere Drehachse 18 immer parallel zu dieser Bezugsebene 9.
Eine Drehung des äußeren Ringelements 16 um die äußere Drehachse 18 um einen Drehwinkel α führt zu einer Drehung des inneren Ringelements 17 um die äußere Drehachse 18 um denselben Drehwinkel α. Eine Drehung des inneren Ringelements 17 um die innere Drehachse 19 um einen Drehwinkel β führt jedoch zu keiner Drehung des äußeren Ringelements 16. Mit dem inneren Ringelement 17 fest verbunden ist eine Führungshülse 25, die senkrecht zur inneren Drehachse 19 ausgerichtet ist. Das Verbindungselement 7 verläuft teilweise innerhalb dieser Führungshülse 25, so dass eine gegenseitige Führung zwischen der Führungshülse 25 und dem Verbindungselement 7 erzielt wird und beide somit immer parallel und koaxial zueinander verlaufen.
Die kardanische Aufhängung 8 umfasst ferner einen äußeren Drehwinkelsensor 20 sowie einen inneren Drehwinkelsensor 21, die die Drehwinkel der äußeren (α) bzw. inneren Drehachse (β) 18, 19 erfassen. Zu diesem Zweck sind in den Drehachsen 18, 19 jeweils ein permanentmagnetisches Magnetelement 22, 23 angeordnet und sind die Drehwinkelsensoren 20, 21 außerdem als magnetoresistiven Magnetsensoren ausgestaltet, welche so angeordnet sind, dass mit ihnen eine Änderung der Orientierung der von den Magnetelementen 22, 23 ausgehenden magnetischen Feldlinien relativ zu den Drehwinkelsensoren gemessen werden kann. Alternativ zu dieser magnetoresistiven Sensoranordnung, könnten aber genauso gut induktive, kapazitive, optische oder andere Sensoranordnungen zur Winkelmessung vorgesehen sein.
Mittels der Sensorelemente 20, 21 wird ein zur Änderung des Drehwinkels α des äußeren Ringelementes 16 proportionales Signal sowie ein zur Änderung des Drehwinkel β des inneren Ringelements 17 proportionales Signal erzeugt, welche an die in 2A gezeigte Auswerteeinheit 12 weitergeleitet werden. Die beiden Drehwinkel α und β entsprechen zwei Euler-Winkeln, um die die Führungshülse 25 und somit auch das Verbindungselement 7 relativ zum lokalen Koordinatensystem der zugeordneten Bezugsebene 9, vgl. 2A und 2B, rotiert wurde. Anhand dieser beiden Euler-Winkeln und der Länge bzw. Längenänderung Δl des Verbindungselements 7 wird nun mittels der Auswerteeinheit 12 der aktuelle Ort (in den Koordinaten des lokalen Koordinatensystems) des Kopplungspunktes 10 des nächsten, benachbarten Begrenzungselements 3 berechnet, welches mit dieser Aufhängung 8 über das Verbindungselement 7 verbundenen ist.
Das Verbindungselement 7 ist, wie in 2A gezeigt, mit dem genannten benachbarten Begrenzungselement 3 wiederum mit einer kardanischen Aufhängung 8' verbunden. Diese Aufhängung 8' umfasst (neben einer Längenmesseinheit zur Messung von Δl) ebenfalls zwei Winkelsensoren. Anhand der an dieser Aufhängung 8' gemessenen Drehwinkel α' und β' kann die Ausrichtungen des benachbarten Begrenzungselements 3 zu dem in 3 gezeigten Begrenzungselement 3 berechnet werden. Dieser Sachverhalt ist in 2C dargestellt.
Die aktuelle relative Lage und Ausrichtung zweier benachbarter Begrenzungselemente 3, die über eine Verbindungselement 7 miteinander verbunden sind, wird also anhand der Länge bzw. der Längenänderung Δl des Verbindungselements 7 sowie vier Euler-Winkeln bestimmt, wobei an jeder Aufhängung 8 und 8' jeweils zwei der vier Euler-Winkel als Drehwinkel um Drehachsen eines kardanischen Lagers gemessen werden (α und β an der Aufhängung 8, α' und β' an der Aufhängung 8'). Diese Winkel werden an die Auswerteeinheit 12 übermittelt, welche die aktuelle relative Lage der Kopplungspunkte 10 sowie die relative Ausrichtung der Bezugsebenen 9 der beiden Begrenzungselementen 3 bestimmt. Gleichzeitig bestimmt die Auswerteinheit 12 auch die zugehörige Koordinatentransformation zwischen den zugehörigen beiden lokalen Koordinatensystemen der zwei solcher benachbarten Koordinatensysteme durch fünf Messgrößen.
In der 2C ist zur Illustration außerdem ein weiteres Messelement 32 dargestellt, welches eingerichtet und angeordnet ist, um einen Torsionswinkel γ zu messen.
Ein solches Messelement 32 ist notwendig, falls zwischen zwei Begrenzungselementen 3 auch Torsionsbewegungen möglich sind. Der zugehörige Drehwinkel (Torsionswinkel, dritter Euler-Winkel) γ kann beispielsweise erfasst werden, wenn eine der beiden Aufhängungen 8 und 8' des Verbindungselementes 7 eine dritte kardanische Drehachse mit einem entsprechenden Sensorelement aufweist und das Verbindungselement 7 selbst torsionssteif ausgeführt ist, beispielsweise als ein Stab. Alternativ ist es auch möglich, wie in 2C gezeigt, das Verbindungselement 7 zweigeteilt auszuführen, wobei sich ein erster Teil 7' des Verbindungselement 7 relativ zu einem zweiten Teil 7'' des Verbindungselements 7 um den Torsionswinkel γ um eine Längsachse des Verbindungselements 7 verdrehen kann, beispielsweise über ein Torsionsgelenk 32 oder ein Drehschubgelenk 32, in dem ein entsprechendes Sensorelement zur Messung des Torsionswinkels γ integriert ist. Ferner sind zur Erfassung von Torsionsbewegungen die beiden genannten Teile 7' und 7'' des Verbindungselementes 7 sind in dem in 2C gezeigten Beispiel als Stäbe (bspw. Metall- oder Kunststoffstäbe) ausgestaltet. Vorzugsweise werden bei der Verwendung von Stäben als Verbindungselemente 7, diese Stäbe beidseitig mittels der Aufhängungen 8 mit den Begrenzungselementen 3 verbunden. Es ist beispielsweise bei einer Verwendung von Teleskopstangen möglich eine Längenänderung dieser Verbindungselemente zu ermöglichen.
Das äußere Ringelement 16 umfasst ein Gegengewicht 24, das dazu dient, durch das Sensorelement 21 und das Magnetelements 23 induzierte Drehmomente um die äußere Drehachse 18 auszugleichen.
Schließlich weist der Rahmen 15 der Aufhängung 8 mehrere Bohrungen 26 auf, mit denen der Rahmen 15 mit dem Begrenzungselement 3 starr verbunden werden kann, etwa mittels Schrauben oder andere Befestigungsmittel 33, vgl. 2C.
In 4 ist eine der bereits oben erwähnten kardanische Aufhängung 8' schematisch dargestellt. Sie umfasst ebenso wie die in 3 gezeigte Aufhängung 8 insbesondere einen Rahmen 15, einen inneren und einen äußeren kardanischen Ring 16, 17, wobei der äußere Ring 16 mit dem Rahmen über eine äußere Drehachse 18 und der innere Ring 17 mit dem äußeren Ring über eine innere Drehachse 19 drehbar verbunden ist, sowie den Drehachsen zugeordnete Sensor- und Magnetelemente 20, 21, 22 und 23. Die Aufhängung 8' unterschiedet sich durch die Aufhängung 8 lediglich dadurch, dass die Aufhängung 8' zusätzlich eine Längenmesseinheit 27 umfasst, mit der die Länge bzw. Längenänderungen des Zwischenelementes 7 erfasst werde kann.
Wie aus 2A ersichtlich, ist jedes der Verbindungselemente 7 mit einem Ende an einer Aufhängung 8 ohne Längenmesseinheit 27 und mit einem anderen Ende an einer Aufhängung 8' mit einer solchen Längenmesseinheit 27 verbunden, so dass für jedes Verbindungselement 7 genau eine Längenmesseinheit 27 vorgesehen ist.
In einer Ausführungsform ist die Längenmesseinheit 27 als ein Seilzugpotentiometer ausgestaltet.
In 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform der genannten Längenmesseinheit 27 schematisch dargestellt. Sie beinhaltet eine Durchlaufwinde 28, um die ein Teil des Verbindungselementes 7 gewickelt ist. Verlängert sich das Verbindungselement 7 beispielsweise (aufgrund einer Verlängerung des Segments 7, durch welches das Verbindungselement hindurchläuft), bewegt sich das in 5 dargestellte untere Ende des Verbindungselements 7 nach unten (siehe unteren Pfeil). Dadurch wird das Verbindungselement 7 teilweise von der Durchlaufwinde 28 abgewickelt, wodurch diese sich um einen entsprechenden Drehwinkel dreht (siehe oberen Pfeil). Die Durchlaufwinde 28 umfasst ein permanentmagnetisches Magnetelement 29, welches sich mit der Durchlaufwinde mitdreht sowie ein sich nicht mitdrehendes magnetoresistive Sensorelement 31 (gestrichelt dargestellt, da außerhalb der Zeichenebene und hinter dem Magnetelement 29 angeordnet), welches dazu angeordnet und eingerichtet ist, die Drehung des Magnetelements 29 um den Drehwinkel zu erfassen und ein entsprechendes Messsignal an die Auswerteeinheit 12 weiterzuleiten. Anstelle dieser magnetoresistiven Sensoranordnung könnte aber genauso gut eine induktive, kapazitive, optische oder andere Sensoranordnung vorgesehen sein.
Die Auswerteeinheit 12 ist schließlich dazu eingerichtet, aus dem Messsignal eine Länge bzw. eine Längenänderung Δl des Verbindungselementes 7 zu bestimmen. Das Verbindungselement 7 ist mittels einer Spannfeder 31 permanent gespannt.
In 6A ist eine diskrete kinematische Kette 37 in Form eines Roboterarms mit zwei Gelenken 34, die jeweils eine einer Drehachse aufweisen, und mit zwei starren, langgestreckten Verbindungsgliedern 35 dargestellt, wobei eines der Gelenke 34 eines der Verbindungsglieder 35 mit einer Plattform 6 verbindet und das andere Gelenk 34 die beiden Verbindungsglieder miteinander verbindet. Zum Erreichen der Last 36 mit dem Greifer 5 sind die Drehwinkel der beiden Gelenke 34 eindeutig bestimmt.
In 6B ist eine quasikontinuierliche kinematische Kette hier vorgeschlagener Art dargestellt, die entlang ihres des Verlaufs eine Vielzahl von Gelenken 34 aufweist, so dass die Kette 1 entlang ihres Verlaufs in ihrer Länge und in ihrer Krümmung veränderbar ist und hyperredundante Eigenschaften aufweist. Die Last 36 ist somit über eine Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen der Kette 1 (d. h. Einstellungen der einzelnen Gelenke 34 in den Segmenten 2) mit dem Greifer 5 der Kette 1 erreichbar.
In 6C ist eine kontinuierliche kinematische Kette 1 hier vorgeschlagener Art dargestellt. Sie weist Segmente 2 auf, die im Wesentlichen aus elastischen Materialien bestehen und somit flexibel verformbar sind. Die Kette 1 weist somit überabzählbar viele Freiheitsgrade auf und kann mit ihrem Greifer 5 aufgrund ihrer Hyperredundanz die Last 36 mit überabzählbar vielen unterschiedlichen Konfigurationen erreichen.
Bezugszeichenliste

1: kinematische Kette
2: flexibles Segment
3: Begrenzungselement
4: Antriebselement, 4' Kammer in Antriebselement
5: Greifer
6: Träger
7: Verbindungselement, 7' und 7'' Teile des Verbindungselementes
8: Aufhängung/Drehlager, 8' Aufhängung mit Längenmesseinheit
9: Bezugsebene
10: Koppelpunkt
11: Messpunkt an Greifer
12: Auswerteeinheit
13: Steuereinheit
14: Entkopplungsbereich/Entkopplungsausnehmung
15: Rahmen der Aufhängung
16: äußeres kardanisches Ringelement
17: inneres kardanisches Ringelement
18: äußere Drehachse
19: innere Drehachse
20: äußerer Winkelsensor
21: innerer Winkelsensor
22: Magnetelement der äußeren Drehachse
23: Magnetelement der inneren Drehachse
24: Gegengewicht am äußeren Ringelement
25: Führungshülse für Verbindungselement
26: Bohrung
27: Längenmesseinheit
28: Durchlaufwinde
29: Magnetelement der Längenmesseinheit
30: Sensorelement der Längenmesseinheit
31: Spannfeder
32: Torsionsgelenk
33: Befestigungsmittel
34: Gelenk
35: Verbindungsglieder
36: Last
37: diskrete kinematische Kette

Claims

Kontinuierliche oder quasikontinuierliche kinematische Kette (1) mit einem sensorischen System zur Erfassung einer räumlichen Konfiguration der kinematischen Kette (1), die eine räumliche Abfolge von flexiblen Segmenten (2) aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Segmenten (2) und an den Enden der Abfolge jeweils ein im Wesentlichen starres Begrenzungselement (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass alle benachbarten Begrenzungselemente (3) jeweils durch ein Verbindungselement (7) miteinander verbunden sind, wobei Sensorelemente (20, 21, 30) des Systems dazu angeordnet und eingerichtet sind, Längen der Verbindungselemente (7) sowie Winkel zwischen den Verbindungselementen (7) und den Begrenzungselementen (3) zu messen.
Kinematische Kette (1) aus Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Verbindungselemente (7) über Drehlager (8) mit den Begrenzungselementen (3) verbunden ist, wobei Winkelsensoren angeordnet sind zum Messen von Drehwinkeln der Drehlager (8).
Kinematische Kette (1) aus Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Drehlager (8) mindestens zwei voneinander unabhängige Drehachse (18, 19) aufweisen, an denen jeweils ein Winkelsensor (20, 21) zum Messen eines Drehwinkels der Drehachse (18, 19) angeordnet ist.
Kinematische Kette (1) aus einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Drehlager (8) als kardanisches Lager ausgestaltet ist.
Kinematische Kette (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Verbindungselemente (7) mit einem als Seilzugpotentiometer (27) ausgestalteten Sensorelement (20, 21, 30) verbunden ist zur Längenmessung des Verbindungselements (7).
Kinematische Kette (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Verbindungselemente (7) eine Durchlaufwinde (28) umfasst und eine Winkelsensor (30) zur Messung eines Drehwinkels der Durchlaufwinde (28) vorgesehen ist zur Längenmessung des Verbindungselementes (7).
Kinematische Kette (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Verbindungselemente (7) mittels eines Federelementes (31) gespannt ist.
Kinematische Kette (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Verbindungselemente (7) einen Faden, einen Draht, eine Feder oder eine Stangen umfasst.
Kinematische Kette (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kinematische Kette (1) im Wesentlichen torsionssteif ausgeführt ist.
Kinematische Kette (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Verbindungselemente (7) durch eine Entkopplungsausnehmung (14) in einem der Segmente (2) durch dieses Segment (2) ohne einen Berührungskontakt mit diesem Segment (2) hindurch verläuft.
Kinematische Kette (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das jedes der Verbindungselemente (7) vollständig innerhalb eines der zugeordneten Segmente (2) verläuft.
Kinematische Kette (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sensorische System ferner eine Auswerteeinheit (12) umfasst, die dazu eingerichtet ist, anhand der gemessenen Längen und Winkel der Verbindungselemente (7) die räumliche Konfiguration der kinematischen Kette (1) zu ermitteln.
Erfassen einer räumlichen Konfiguration einer kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen kinematischen Kette (1), die eine räumliche Abfolge von flexiblen Segmenten (2) aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Segmenten (2) und an den Enden der Abfolge jeweils ein im Wesentlichen starres Begrenzungselement (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass alle benachbarte Begrenzungselemente (3) jeweils über ein Verbindungselement (7) miteinander verbunden sind und mittels Sensorelemente (20, 21, 30) des Systems Längen der Verbindungselemente (7) sowie Winkel zwischen den Verbindungselementen (7) und den Begrenzungselementen (3) zu gemessen werden.
Verfahren aus Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es an einer kinematischen Kette (1) aus einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt wird.