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Die Erfindung betrifft ein Roboter-Gelenksystem.
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Moderne Roboter-Gelenksysteme weisen eine passive Nachgiebigkeit auf. Durch eine derartige passive Nachgiebigkeit eines Gelenks bewirken Stöße oder Kollisionen nicht unmittelbar ein Beschädigen des Gelenks, da eine gewisse Nachgiebigkeit besteht. Insbesondere ist hierbei eine Einstellung der Steifigkeit, d.h. eine sogenannte variable Steifigkeit möglich. Bei bekannten Robotergelenken erfolgt dies durch das Vorsehen von zwei Seilzügen, in denen jeweils eine nicht lineare Feder integriert ist. Jeder Seilzug ist mit einem gesonderten Motor gekoppelt. Durch das Vorsehen der nicht linearen Federn ist auf mechanischem Wege, d.h. ohne die Implementierung von regelungstechnischen Bauteilen eine passive Nachgiebigkeit realisiert. Derartige Gelenksysteme sind beispielsweise aus der
DE 10 2006 016 958 A1 und der
DE 10 2009 000 261 A1 bekannt.
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Ein bekanntes monoartikuläres Roboter-Gelenk ist schematisch in 1 dargestellt. Hierbei ist ein Gelenk 10 mit einer Antriebswelle 12 verbunden, die in zwei Lagern 14 gelagert ist. Die Antriebswelle 12 ist mit einem ersten Kegelrad 16 eines Kegelradgetriebes 18 verbunden. Die beiden weiteren Kegelräder 20 sind jeweils unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes 22 mit einem Antriebsmotor 24 verbunden. Bei dem Untersetzungsgetriebe 22 handelt es sich um ein Harmonic-Drive-Getriebe, dessen sogenannter Wave Generator 26 jeweils mit der Antriebswelle 28 des Motors 24 verbunden ist. Der insbesondere elliptisch ausgebildete Wave Generator wirkt mit dem sogenannten Flex Spline zusammen. Hierbei wird die elliptische Form des Wave Generators auf den Flex Spline übertragen. Der Flex Spline 30 weist eine Außenverzahnung auf, die in einen starren Circular Spline 32 eingreift. Hierbei weist eine Innenverzahnung des Circular Splines 32 eine, insbesondere um zwei Zähne größere Zahnanzahl als die Außenverzahnung des Flex Spline 30 auf. Eine Besonderheit der Ausgestaltung der verwendeten Harmonic-Drive-Getriebe 22 besteht darin, dass das Circular Spline 32 drehbar gelagert ist. Die beiden Circular Splines 32 sind mit einer als Energiespeichereinrichtung dienenden nicht linearen Feder 34 verbunden.
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Eine Drehung des Gelenks um das Gelenk 10 um die Antriebswelle 12 kann somit durch unterschiedliches Ansteuern der Motoren 24 erfolgen. Durch ein Speichern von Energie, d.h. durch ein Spannen der nicht linearen Feder 34, kann die Steifigkeit des Gelenks 10 eingestellt werden. Wird nun beispielsweise durch eine Kollision ein Moment am Abtrieb des Gelenks 10 eingeleitet, so wird dieses über die Circular Splines 32 auf die Feder übertragen, wobei das Spannen der Feder eine Energiespeicherung bewirkt. Das Gelenk bewegt sich hierbei aus seiner Gleichgewichtslage. Beim Wegfall des externen Moments am Abtrieb des Gelenks 10 bewegt sich die Feder in ihre Ursprungslage zurück. Somit bewegt sich auch das Gelenk 10 wieder in seine Ursprungslage zurück. Es lässt sich insofern ein Gleichgewichtspunkt über dem gesamten Gelenkwinkelraum einstellen. Durch eine entsprechende Auslegung der nicht linearen Feder kann ein Anpassen des Gelenks erfolgen.
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Das anhand 1 schematisch beschriebe monoartikuläre Gelenksystem weist gegenüber anderen bekannten Robotergelenken mit Seilzügen den Vorteil auf, dass die Problematik des Schlupfs sowie die Erforderlichkeit des Nachspannes der Seile nicht besteht. Gegenüber pneumatischen Antrieben weist ein Antrieb mit Elektromotoren unter Zwischenschaltung von Getrieben den Vorteil auf, dass pneumatische Antriebe eine aufwändige Steuerung erforderlich machen und eine Reaktion erst ab einem gewissen Schwelldruck erfolgt.
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Von menschlichen Gelenken sind neben monoartikulären Gelenken und entsprechend monoartikulären Muskeln auch sogenannte biartikuläre Muskeln bekannt. Biartikuläre Muskeln bewegen zwei Gelenke. Ein Beispiel hierfür ist der Bizeps und der Trizeps im Oberarm des Menschen. Durch biartikuläre Muskeln kann die Stabilität bei äußeren unvorhersehbaren Störungen, sogenannten Perturbationen verbessert werden. Ferner ist es durch biartikuläre Muskeln möglich, Energie von einem Gelenk in das andere zu übertragen. Des Weiteren sind biartikuläre Muskeln beim Menschen maßgeblich an der Variierung von Größe und Ausrichtung der sogenannten Steifigkeitsellipse beteiligt. Durch derartige biartikuläre Muskeln ist der Mensch fähig, diese Steifigkeitsellipse bezüglich der Ausprägung externer Perturbationen in ihrer Größe, Form und Orientierung entsprechend anzupassen. Diese Zusammenhänge sind insbesondere beschrieben in:
- – Franklin DW. Burdet E. Osu R, Kawato M. Milner TE (2003): "Functional significance of stiffness in adaption of multijoint arm movements in stable and unstable environments"; Exp Brain Res 151: 145–157;
- – Franklin, D. W., Liaw, G., Milner, T. E., Osu, R., Burdet, E., and Kawato, M. (2007), "Endpoint stiffness of the arm is directionally tuned to instability in the environment."; Journal of Neuroscience, 27(29), 7705–7716, 0270–6474; und
- – A. V. Voronov (2004), "The roles of Monoarticular and Biarticular Muscles of the Lower Limbs in Terrestrial Locomotion", Journal of Human Physiology, Vol. 30, No. 4, 2004, pp. 476–484.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Roboter-Gelenksystem zu schaffen, das auf einfache Weise eine variable Steifigkeit aufweist, wobei vorzugsweise zwischen zwei Gelenken Energie übertragen werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Roboter-Gelenksystem gemäß Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Roboter-Gelenksystem weist zwei Gelenkeinrichtungen auf. Jede der Gelenkeinrichtungen weist ein Gelenk auf, das über eine Antriebswelle mit einer Getriebeeinrichtung verbunden ist. Ferner weist jede Gelenkeinrichtung zwei Antriebsmotoren auf, die mit der Getriebeeinrichtung verbunden sind. Zwischen den beiden Antriebsmotoren und der Getriebeeinrichtung ist jeweils ein Untersetzungsgetriebe angeordnet. Ferner weist jede Gelenkeinrichtung eine Energiespeichereinrichtung auf, die jeweils mit einem der beiden Untersetzungsgetriebe verbunden ist.
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Zur erfindungsgemäßen Ausbildung einer Grundform eines biartikulären Roboter-Gelenksystems sind die beiden Gelenkeinrichtungen über eine Zusatz-Energiespeichereinrichtung miteinander verbunden. Durch das Vorsehen der Zusatz-Energiespeichereinrichtung zwischen den beiden Gelenkeinrichtungen kann eine Energieübertragung von einer Gelenkeinrichtung auf die andere und somit von einem Gelenk auf das andere erfolgen. Zusätzlich kann jede Gelenkeinrichtung aufgrund der jeweils vorgesehenen Energiespeichereinrichtung entsprechend eines monoartikulären Gelenks Energie speichern.
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Vorzugsweise ist die Zusatz-Energiespeichereinrichtung derart ausgebildet, dass sie einen ersten Energiespeicher aufweist, der zwischen der Antriebswelle eines der beiden Gelenke und einem Untersetzungsgetriebe der anderen Gelenkeinrichtung angeordnet ist. Dem ersten Energiespeicher kann somit von der Antriebswelle Energie zugeführt werden. Eine weitere Zufuhr zu dem ersten Energiespeicher kann über das Untersetzungsgetriebe der anderen Gelenkeinrichtung erfolgen. Entsprechend kann von dem ersten Energiespeicher Energie an die Antriebswelle oder das Untersetzungsgetriebe abgegeben werden.
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Besonders bevorzugt ist es, dass die Zusatz-Energiespeichereinrichtung zusätzlich einen zweiten Energiespeicher aufweist. Dieser ist entsprechend dem ersten Energiespeicher zwischen der Antriebswelle der einen Getriebeeinrichtung und einem Untersetzungsgetriebe der anderen Getriebeeinrichtung angeordnet. Hierbei sind die beiden Energiespeicher vorzugsweise derart angeordnet, dass jeder Energiespeicher mit unterschiedlichen Antriebswellen sowie mit unterschiedlichen Untersetzungsgetrieben verbunden ist. Durch eine derartige Anordnung ist es möglich, dass zwischen beiden Gelenkeinrichtungen sowohl über die Antriebswelle der Gelenke als auch über die vorgesehenen Übersetzungsgetriebe Energie auf die andere Gelenkeinrichtung übertragen wird.
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Selbst bei einer möglichst großen Flexibilität, insbesondere hinsichtlich der Einstellbarkeit der Steifigkeit ist es des Weiteren bevorzugt, dass die beiden Energiespeichereinrichtungen je Gelenkeinrichtung mit einem anderen Untersetzungsgetriebe verbunden sind als der erste und/ oder der zweite Energiespeicher der Zusatz-Energiespeichereinrichtung. In besonders bevorzugter Ausführungsform weist jede Gelenkeinrichtung zwei Untersetzungsgetriebe auf, wobei mit jedem der insgesamt vier Untersetzungsgetriebe entweder eine gelenkspezifische Energiespeichereinrichtung oder eine der beiden Energiespeicher der Zusatz-Energiespeichereinrichtung verbunden sind. Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist zur Verbesserung der Bewegungsmöglichkeit der einzelnen Gelenke zumindest bei einer, insbesondere bei beiden Getriebeeinrichtungen, ein dritter Antriebsmotor vorgesehen, der vorzugsweise mit der Getriebeeinrichtung verbunden ist.
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Des Weiteren ist es hierbei bevorzugt, dass zwischen dem dritten Antriebsmotor und der Getriebeeinrichtung ein drittes Untersetzungsgetriebe angeordnet ist. Durch Zwischenschalten des dritten Untersetzungsgetriebes ist es möglich, dieses mit einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere der bereits je Gelenkeinrichtung vorgesehenen Energiespeichereinrichtung zu verbinden. Die gelenkinterne Energiespeichereinrichtung ist somit in besonders bevorzugter Ausführungsform mit zwei der insgesamt drei vorgesehenen Untersetzungsgetriebe verbunden.
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Vorzugsweise ist die Getriebeeinrichtung als Kegelradgetriebe ausgebildet. Hierbei ist eines der Kegelräder insbesondere unmittelbar mit der Antriebswelle des Gelenks verbunden. Bei der Ausgestaltung einer Gelenkeinrichtung mit zwei Motoren ist es bevorzugt, dass jeweils einer der beiden Motoren unter Zwischenschaltung des Untersetzungsgetriebes mit jeweils einem weiteren Kegelrad verbunden ist. Bei der Weiterbildung der Erfindung mit einem dritten Motor, bei zumindest einer der beiden Gelenkeinrichtungen ist dieser mit einem vierten Kegelrad des Kegelradgetriebes verbunden. Die Verwendung eines Kegelradgetriebes hat insbesondere den Vorteil, dass auf einfache Weise eine Verbindung mit bis zu vier Wellen möglich ist.
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Bei den verwendeten Untersetzungsgetrieben kann es sich beispielsweise um Zykloidengetriebe handeln. Diese weisen einen guten Wirkungsgrad und einen geringen Bauraum auf. Allerdings weisen Zykloidengetriebe eine große Anzahl an bewegten Teilen und hierdurch hervorgerufenes vergleichsweise größeres Spiel auf. Bevorzugt ist daher die Verwendung von Harmoic-Drive-Getrieben. Selbstverständlich kann auch nur ein Teil der Untersetzungsgetriebe als Harmonic-Drive-Getriebe oder Zykloidengetriebe ausgebildet sein.
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Bei Verwendung von Harmonic-Drive-Getrieben ist es bevorzugt, dass der äußere Circular Spline drehbar gelagert ist. Des Weiteren ist der Circular Spline vorzugsweise, je nach dem in welchem Bereich des Roboter-Gelenksystem das Getriebe angeordnet ist, mit der Energiespeichereinrichtung und/ oder der Zusatz-Energiespeichereinrichtung und/ oder dem ersten und/ oder zweiten Energiespeicher verbunden.
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Als Energiespeichereinrichtung sind insbesondere mechanische Energiespeichereinrichtungen bevorzugt. Diese können beispielsweise als Kombination einer linearen Feder mit einer Kurvenscheibe ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist die Verwendung nicht linearer Federn als Energiespeichereinrichtung.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines monoartikulären Roboter-Gelenkssystems nach dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen biartikulären Roboter-Gelenksystems und
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3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen biartikulären Roboter-Gelenksystems.
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Bei der ersten in 2 schematisch dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen biartikulären Antriebskonzepts handelt es sich um eine Verknüpfung zweier Gelenkeinrichtungen 36, 38. Die beiden Gelenkeinrichtungen 36, 38 sind identisch aufgebaut. Ferner sind die Gelenkeinrichtungen 36, 38 ähnlich der anhand 1 beschriebenen Gelenkeinrichtungen aufgebaut, wobei die Besonderheit darin besteht, dass die Energiespeichereinrichtung 34 nicht, wie in 1 dargestellt, mit den beiden Circular Splines 32 der Untersetzungsgetriebe 22 verbunden ist. Vielmehr ist die Energiespeichereinrichtung 34 mit einem Circular Spline 32, des in 2 äußeren Untersetzungsgetriebes 22 verbunden und ortsfest, beispielsweise an einem Gehäuse 40 fixiert. Die übrigen Bauteile der beiden Gelenkeinrichtungen 36, 38 entsprechen den anhand 1 beschriebenen Bauteilen und weisen daher dieselben Bezugszeichen auf. Eine weitere Besonderheit der beiden Gelenkeinrichtungen 36, 38 besteht in der Verbindung der einzelnen Komponenten mit dem Kegelradgetriebe 18. In der dargestellten Ausführungsform ist die Antriebswelle 12 des Gelenks 10 entsprechend der in 1 dargestellten Ausführungsform mit dem Kegelrad 16 verbunden. Die beiden Kegelräder 20, die unter Zwischenschaltung der Untersetzungsgetriebe 22 mit den Motoren 24 verbunden ist, sind jedoch nicht einander gegenüberliegend, sondern nebeneinander angeordnet.
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Zur Ausgestaltung eines biartikulären Roboter-Gelenksystems ist eine Zusatz-Energiespeichereinrichtung vorgesehen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Energiespeicher 42 und einen zweiten Energiespeicher 44 aufweist. Die beiden Energiespeicher 42, 44 sind hierbei vorzugsweise als nicht lineare Federn ausgebildet. Der erste Energiespeicher 42 ist mit der Antriebswelle 12 des Gelenks 10 der Gelenkeinrichtung 36 sowie mit einem Circular Spline 32 eines Untersetzungsgetriebes 22 der anderen Gelenkeinrichtung 38 verbunden. Im Gegensatz hierzu ist der zweite Energiespeicher 44 mit der Antriebswelle 12 des Gelenks 10 der Gelenkeinrichtung 38 und einem Circular Spline 32 eines Untersetzungsgetriebes 22 der anderen Gelenkeinrichtung 36 verbunden.
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Soll beispielsweise ein Drehwinkel φ1, des in 1 linken Gelenks 10 verändert werden, müssen die mit "Motor 1" und "Motor 3" bezeichneten Elektromotoren 24 gleichsinning bewegt werden. Zusätzlich müssen die mit "Motor 5" und "Motor 6" bezeichneten Motoren der in 2 rechten Gelenkeinrichtung 38 derart angetrieben werden, dass sie der durch die Kopplung der beiden Gelenke 10 hervorgerufenen Steifigkeitsveränderung entgegenwirken. Dies ist erforderlich, um zu verhindern, dass der Drehwinkel φ1 des in 2 rechten Gelenks 10 verändert wird.
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Soll hingegen nur die Steifigkeit des Roboter-Gelenksystems verändert werden, müssen die mit "Motor 3" und "Motor 6" bezeichneten Motoren 24 gleichsinnig bewegt werden. Die beiden mit "Motor 1" und "Motor 5" bezeichneten Motoren 24 müssen hierbei gesperrt werden.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht jedoch keine Möglichkeit die Steifigkeit der beiden moniartikulären Gelenkeinrichtungen 36, 38 für jedes Gelenk 10 gesondert einzustellen. Dies ist bei der erweiterten in 3 dargestellten Ausführungsform der Fall.
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Die in 3 dargestellte Ausführungsform, bei der ähnliche und identische Bauteile wiederum mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 2 dargestellten Ausführungsform, dass zusätzlich jede Gelenkeinrichtung 36, 38 jeweils einen dritten Antriebsmotor 24 aufweist, die mit "Motor 2" bzw. "Motor 4" bezeichnet sind. Die beiden Motoren 24, d.h. "Motor 2" und "Motor 4" sind jeweils über ein als Harmonic-Drive-Getriebe ausgebildetes Untersetzungsgetriebe 22 mit einem vierten Kegelrad 46 verbunden. Ferner sind die jeweiligen Energiespeichereinrichtungen 34 nicht nur mit einem Circular Spline 32, sondern auch mit dem Circular Spline 32 desjenigen Untersetzungsgetriebes 22 verbunden, das mit dem als "Motor 2" bezeichneten Motor verbunden ist. Dem Energiespeicher 34 kann somit von dem "Motor 1" sowie auch von dem "Motor 2" über die Circular Splines 32 Energie zugeführt werden. Auch über das Kegelrad 46 und das dem Kegelrad 46 gegenüberliegende Kegelrad 20 kann über die Circular Splines 32 der Energiespeichereinrichtung 34 Energie zugeführt werden. In entsprechend entgegengesetzte Richtung kann der Energiespeicher 34 Energie an das Kegelradgetriebe 18 abgeben, von dem es dann auf die Antriebswelle 12 des Gelenks 10 übertragen wird.
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Entsprechendes gilt selbstverständlich bezogen auf die in 3 rechte Gelenkeinrichtung 38 hinsichtlich der mit "Motor 4" und "Motor 5" bezeichneten Motoren 24.
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Die in 3 dargestellte Ausführungsform weist beispielsweise hinsichtlich des in 3 linken Gelenks 10 die nachfolgenden Einstellungsmöglichkeiten auf, wobei Entsprechendes auch für das in 3 rechte Gelenk 10 gilt. Soll beispielsweise die mit φ1 bezeichnete Position des linken Gelenks 10 verstellt werden, ohne jedoch die Steifigkeit beider Gelenke zu verändern, müssen die beiden als "Motor 1" und "Motor 2" bezeichneten Motoren sowie zusätzlich der mit "Motor 3" bezeichnete Motor betätigt werden. Um dabei jedoch die Steifigkeit konstant zu halten, muss der "Motor 6" ebenfalls betätigt werden, um das zwischen den beiden Kopplungen auf die beiden Gelenke 10 wirkende Moment konstant zu halten. Die mit "Motor 4" und "Motor 5" bezeichneten Motoren 24 werden hierbei gesperrt. Sofern die Steifigkeit der biartikulären Kopplung verändert werden soll, ohne hierbei die beiden Gelenke 10 zu bewegen, müssen die mit "Motor 1, 2, 4 und 4" bezeichneten Motoren 24 gesperrt und die mit "Motor 3 und 6" bezeichneten Motoren gleichsinnig bewegt werden.
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Sofern nur die Steifigkeit der monoartikulären Feder des in 3 linken Gelenks 10 verändert werden soll, müssen die mit "Motor 1" und "Motor 2" bezeichneten Motoren gegensinnig bewegt werden. Alle anderen Motoren müssen gesperrt werden.
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Selbstverständlich sind verschiedene Kombinationen der vorstehend beschriebenen Einzelbewegungen der Motoren mit entsprechendem Einfluss auf die mono- und biartikuläre Steifigkeit sowie die Position der Gelenke möglich.
