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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Roboterunterarmanordnung mit mehreren sehnengetriebenen Fingern.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Typische Roboter sind automatisierte Vorrichtungen, die in der Lage sind, Objekte unter Verwendung einer Reihe von starren Gliedern zu manipulieren, welche wiederum über Gelenkverbindungen oder motorgetriebene Robotergelenke miteinander verbunden sind. In einem typischen Roboter repräsentiert jedes Gelenk eine unabhängige Steuerungsvariable, die auch als Freiheitsgrad (DOF) bezeichnet wird. Greiforgane sind die speziellen Glieder, die verwendet werden, um eine anstehende Aufgabe auszuführen, z. B. das Ergreifen eines Arbeitswerkzeugs oder eines Objekts. Daher kann eine präzise Bewegungssteuerung eines Roboters durch die Ebene der Aufgabenbeschreibung organisiert werden: eine Steuerung auf Objektebene, d. h. die Fähigkeit, das Verhalten eines Objekts zu steuern, das in einem Einzelgriff oder einem zusammenwirkenden Griff eines Roboters gehalten wird, eine Greiforgansteuerung und eine Gelenkebenensteuerung. Gemeinsam arbeiten die verschiedenen Steuerungsebenen zusammen, um die benötigte Mobilität, Fingerfertigkeit, und arbeitsaufgabenbezogene Funktionalität des Roboters zu erreichen.
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Humanoide Roboter sind speziell Roboter mit einer in etwa menschlichen Struktur oder einem in etwa menschlichen Erscheinungsbild, sei es ein vollständiger Körper, ein Torso und/oder eine Gliedmaße, wobei die strukturelle Komplexität des humanoiden Roboters zu einem großen Teil von der Natur der Arbeitsaufgabe abhängt, die ausgeführt wird. Die Verwendung von humanoiden Robotern kann dort bevorzugt sein, wo eine direkte Interaktion mit Vorrichtungen oder Systemen benötigt wird, die speziell für den menschlichen Gebrauch gemacht wurden. Aufgrund des weiten Spektrums an Arbeitsaufgaben, die von einem humanoiden Roboter erwartet werden können, können unterschiedliche Steuerungsmodi gleichzeitig benötigt werden. Zum Beispiel muss eine präzise Steuerung in den verschiedenen vorstehend erwähnten Räumen angewendet werden, sowie eine Steuerung des aufgebrachten Drehmoments oder der aufgebrachten Kraft, der Bewegung und der verschiedenen Grifftypen.
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Die Druckschrift
US 3 694 021 A offenbart einen Roboterunterarm gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der Druckschrift
US 2009/0 025 502 A1 ist ein Robotermanipulator offenbart, der einen mit einer Roboterhand verbundenen Vorderarm aufweist, an dem eine Kamera zur Überwachung der Roboterhand und von Objekten, die von der Roboterhand ergriffen werden, angeordnet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Aspekt der Offenbarung stellt einen Roboterunterarm mit einer Basisstruktur, mehreren Fingern und mehreren Sehnen bereit. Die Finger umfassen jeweils ein erstes, zweites, drittes und viertes Fingerglied. Ein erstes Gelenk verbindet wirksam das erste Fingerglied mit dem zweiten Fingerglied, so dass das zweite Fingerglied mit Bezug auf das erste Fingerglied um eine erste Achse herum selektiv drehbar ist. Ein zweites Gelenk verbindet wirksam das zweite Fingerglied mit dem dritten Fingerglied, so dass das dritte Fingerglied mit Bezug auf das zweite Fingerglied um eine zweite Achse herum selektiv drehbar ist. Ein drittes Gelenk verbindet wirksam das dritte Fingerglied mit dem vierten Fingerglied, so dass das vierte Fingerglied mit Bezug auf das dritte Fingerglied um eine dritte Achse herum selektiv drehbar ist. Eine der Sehnen ist mit einem jeweiligen der vierten Fingerglieder wirksam verbunden. Jede Sehne ist ausgestaltet, um ein erstes Drehmoment auf das jeweilige vierte Fingerglied selektiv aufzubringen, um das vierte Fingerglied dazu zu zwingen, sich um die dritte Achse relativ zu dem jeweiligen dritten Fingerglied in eine erste Richtung zu drehen. Ein erster der Finger weist ein erstes Fingerglied mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt und einem zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt wirksam angeordneten flexiblen Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt an der Basisstruktur wirksam befestigt ist und der zweite Abschnitt an dem zweiten Fingerglied an dem ersten Gelenk verschwenkbar befestigt ist, und wobei der flexible Abschnitt ausgestaltet ist, um zu ermöglichen, dass sich der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt relativ zueinander verbiegen.
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Ein anderer Aspekt der Offenbarung stellt einen Roboterunterarm bereit, der einen Vorderarm, eine Handgelenksanordnung und eine Hand enthält. Die Handgelenksanordnung verbindet die Hand in beweglicher Weise mit dem Vorderarm, um eine Bewegung der Hand relativ zu dem Vorderarm zu ermöglichen. Die Hand enthält mehrere Finger, die 13 Freiheitsgrade für die Hand bereitstellen. Die Finger enthalten jeweils ein erstes, zweites, drittes und viertes Fingerglied. Ein erstes Gelenk verbindet wirksam das erste Fingerglied mit dem zweiten Fingerglied, so dass das zweite Fingerglied mit Bezug auf das erste Fingerglied um eine erste Achse herum selektiv drehbar ist. Ein zweites Gelenk verbindet wirksam das zweite Fingerglied mit dem dritten Fingerglied, so dass das dritte Fingerglied mit Bezug auf das zweite Fingerglied um eine zweite Achse herum selektiv drehbar ist. Ein drittes Gelenk verbindet wirksam das dritte Fingerglied mit dem vierten Fingerglied, so dass das vierte Fingerglied mit Bezug auf das dritte Fingerglied um eine dritte Achse herum selektiv drehbar ist.
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Die Finger umfassen einen ersten Finger, einen zweiten Finger, einen dritten Finger und einen Daumen. Jeder der Finger ist an dem jeweiligen ersten Fingerglied an der Basisstruktur wirksam angebracht. Das erste Fingerglied des Daumens ist an der Basisstruktur schwenkbar angebracht und eine Basisachse ist dazwischen definiert. Das erste Fingerglied des Daumens ist ausgestaltet, um sich relativ zu der Basisstruktur um die Basisachse herum selektiv zu drehen. Die Basisachse erstreckt sich in einer allgemein rechtwinkligen Beziehung zu der ersten, zweiten und dritten Achse des Daumens.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die vorliegenden Lehren auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Roboters mit zwei Unterarmanordnungen.
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2A ist eine schematische perspektivische Darstellung der Unterarmanordnung für den Roboter von 1, wobei die Unterarmanordnung eine Hand, einen Vorderarm, eine Handgelenksanordnung und mehrere erste rotatorische Aktoren, die in dem Vorderarm angeordnet sind, umfasst.
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2B ist eine schematische perspektivische Ansicht der Unterarmanordnung, wobei die Unterarmanordnung mehrere Sehnen enthält.
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2C ist eine dorsale Ansicht von zwei Fingern der Hand.
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2D ist eine perspektivische Seitenansicht eines Daumens der Hand.
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2E ist eine dorsale Ansicht der Hand.
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3 ist eine Frontansicht einer Handfläche der Hand, die mehrere Finger aufweist.
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4A ist eine Seitenansicht eines der Finger der Hand von 3.
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4B ist eine Frontansicht eines der Finger der Hand.
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4C ist eine weitere Seitenansicht eines der Finger der Hand von 3.
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4D ist eine Rückenansicht/dorsale Ansicht eines der Finger der Hand von 3.
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4E ist eine schematische Seitenansicht einer der Finger der Hand, die eine Überdehnung eines vierten Fingerglieds des Fingers veranschaulicht.
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4F ist eine weitere schematische Seitenansicht eines der Finger der Hand, welche eine Überdehnung des vierten Fingerglieds des Fingers veranschaulicht.
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4G ist eine Seitenansicht eines der Finger in einer geschlossenen bzw. eingerollten Position.
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4H ist eine Seitenansicht eines der Finger in einer teilweise ausgefahrenen bzw. teilweise gestreckten Position.
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4I ist eine perspektivische Seitenansicht eines der Finger in einer vollständig ausgefahrenen bzw. gestreckten Position.
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5 ist eine Frontansicht der Basisstruktur der Hand.
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6 ist eine perspektivische Frontansicht eines Handflächengelenks, das zwischen einem dritten Finger und der Basisstruktur der Hand von 5 definiert ist.
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7 ist eine schematische Seitenansicht im Querschnitt eines ersten rotatorischen Aktors von 2A.
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8 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht von der Seite eines ersten Fingerglieds mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt und einem flexiblen Abschnitt zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt.
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9 ist eine dorsale Ansicht des Roboterunterarms.
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10 ist eine Seitenansicht des Roboterunterarms.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen in den mehreren Ansichten gleiche oder ähnliche Komponenten bezeichnen, zeigen 1 und 2 einen Roboter 20 mit einem Paar von Roboterunterarmen 22, die angepasst sind, um eine oder mehrere Aufgaben mit mehreren Freiheitsgraden (DOF) auszuführen. Insbesondere ist, wie nachstehend in größerem Detail erläutert wird, der Roboterunterarm 22 ausgestaltet, um mindestens 13 Freiheitsgrade zu steuern.
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Jeder Roboterunterarm 22 umfasst einen Vorderarm 24, eine Handgelenksanordnung 26 und eine Hand 28. Die Handgelenksanordnung 26 verbindet die Hand 28 und den Vorderarm 24 auf wirksame Weise. Die Hand 28 umfasst eine Basisstruktur 30, die eine Handfläche 32 der Hand 28 definiert. Mehrere Finger 34 sind an der Basisstruktur 30 beweglich montiert und sind jeweils ausgestaltet, um sich selektiv zu der Handfläche 32 hin einzurollen, um ein Objekt 35 zu ergreifen. Der Vorderarm 24 enthält mehrere Aktoren, die ausgestaltet sind, um die Finger 34 selektiv zu bewegen, wie nachstehend in größerem Detail erläutert wird. Mit Bezug auf 9 und 10 kann der Vorderarm 24 ausgestaltet sein, um sich um eine Rolldrehachse A3 herum zu drehen oder zu ”verdrehen” (rollen).
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Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 9 und 10 ist die Handgelenksanordnung 26 ausgestaltet, um zu ermöglichen, dass sich die Hand 28 relativ zu dem Vorderarm 24 bewegt. Die Handgelenksanordnung 26 enthält ein erstes Handgelenk 26A und ein zweites Handgelenk 26B. Jedes Handgelenk 26A, 26B kann ein Drehgelenk sein, wobei das erste Handgelenk 26A um eine erste Rotationsachse A1 herum schwenkbar ist und das zweite Handgelenk 26B um eine zweite Rotationsachse A2 herum schwenkbar ist. Das erste Handgelenk 26A ist ausgestaltet, um eine Bewegung von ”Seite zu Seite” (gieren) um die erste Rotationsachse A1 herum zu ermöglichen, und das zweite Handgelenk 26B ist ausgestaltet, um eine ”Aufwärts und Abwärts”-Bewegung (Kippbewegung) um die zweite Rotationsachse A2 herum zu ermöglichen. Um diese Bewegung bereitzustellen, können sich die erste Rotationsachse A1 und die zweite Rotationsachse A2 daher in einer allgemein rechtwinkligen Beziehung zueinander erstrecken. Ferner können sich mit fortgesetzter Bezugnahme auf 9 und 10 die erste und zweite Rotationsachse A1, A2 schneiden.
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Mit Bezug auf 2A und 3 können die Finger 34 mehrere Finger 34A–C und einen Daumen 34D umfassen. Die Finger 34A–C können drei Finger umfassen, d. h. einen ersten Finger 34A, einen zweiten Finger 34B und einen dritten Finger 34C. Der erste Finger 34A entspricht in Position und Funktion einem menschlichen Zeigefinger. Insbesondere ist der erste Finger 34A benachbart zu dem Daumen 34D und dem zweiten Finger oder Mittelfinger 34B angeordnet. Der dritte Finger 34C entspricht in Position und Funktion einem kleinen Finger des Menschen. Insbesondere ist der zweite Finger 34B zwischen dem ersten Finger 34A und dem dritten Finger 34C angeordnet. Es ist festzustellen, dass mehr oder weniger Finger verwendet werden können. Der Daumen 34D ist benachbart zu dem ersten Finger 34A dem dritten Finger 34C gegenüberliegend angeordnet.
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Jeder Finger 34 ist in mehrere Fingerglieder oder Glieder 36A–D unterteilt. Insbesondere umfassen die Fingerglieder 36A–D ein erstes Fingerglied 36A, ein zweites Fingerglied 36B, ein drittes Fingerglied 36C und ein viertes Fingerglied 36D. Bei jedem Finger 34 ist das erste Fingerglied 36A an der Basisstruktur 30 wirksam angebracht, das zweite Fingerglied 36B erstreckt sich wirksam von dem jeweiligen ersten Fingerglied 36A aus, das dritte Fingerglied 36C erstreckt sich wirksam von dem jeweiligen zweiten Fingerglied 36B aus und das vierte Fingerglied 36D erstreckt sich wirksam von dem jeweiligen dritten Fingerglied 36C aus. Bei einem Beispiel ohne Einschränkung kann jedes Fingerglied 36A–D aus Aluminium ausgebildet sein. Alternativ kann als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel jedes Fingerglied 36A–D aus einem Thermokunststoff, etwa Polyetherimid (PEI) und dergleichen ausgebildet sein.
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Mit Bezug auf 3 und 5 sind bei jedem Finger 34 das erste, zweite, dritte und vierte Fingerglied 36A–D miteinander wirksam verbunden, um drei Gelenke 38A–C bereitzustellen. Daher ist bei jedem Finger 34 ein erstes Gelenk 38A zwischen dem ersten Fingerglied 36A und dem zweiten Fingerglied 36B definiert; ein zweites Gelenk 38B ist zwischen dem zweiten Fingerglied 36B und dem dritten Fingerglied 36C definiert; und ein drittes Gelenk 38C ist zwischen dem dritten Fingerglied 36C und dem vierten Fingerglied 36D definiert. Folglich verschwenkt sich jedes erste Gelenk 38A um eine erste Achse A1, jedes zweite Gelenk 38B verschwenkt sich um eine zweite A2 und jedes dritte Gelenk 38C verschwenkt sich um eine dritte Achse A3. Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 3 und 5 können sich bei jedem Finger 34 die erste, zweite und dritte Achse A1–A3 zueinander in einer beabstandeten und allgemein parallelen Beziehung erstrecken. Die Finger 34A–D sind ausgestaltet, um sich um die Achsen A1–A3 herum zu verschwenken, um sich zwischen einer geschlossenen Position, die durch den Finger 34A–D, der in 4G gezeigt ist, veranschaulicht ist, einer teilweise ausgefahrenen Position, die durch den Finger 34A–D, der in 4H gezeigt ist, veranschaulicht ist, und einer ausgefahrenen bzw. gestreckten Position, die durch den Finger 34A–D, der in 4I gezeigt ist, veranschaulicht ist, zu bewegen.
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Das erste Fingerglied 36A jedes Fingers 34A–C erstreckt sich von der Basisstruktur 30 aus, wie in 3, 4A–D und 5 gezeigt ist. Mit Bezug auf den Daumen 34D ist, wie in 3 und 5 gezeigt ist, das erste Fingerglied 36A an der Basisstruktur 30 verschwenkbar angebracht, so dass dazwischen ein Verschwenkgelenk 38D definiert ist. Daher verschwenkt sich das Verschwenkgelenk 38D um eine Basisachse A4 herum. Die Basisachse A4 erstreckt sich in einer allgemein rechtwinkligen Beziehung zu der ersten, zweiten und dritten Achse A1–A3 des Daumens 34D.
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Mit Bezug auf 2A–B und 2D–E wird eine Bewegung der Fingerglieder 36A–D um die Gelenke 38A–C herum durch Robotersehnen 37 bewerkstelligt, d. h. flexible Elemente wie etwa Kabel. Jede Sehne 37 ist an einem ihrer Enden mit einem jeweiligen ersten rotatorischen Aktor 40 wirksam verbunden. Wie nachstehend in größerem Detail erläutert wird, ist jeder der ersten rotatorischen Aktoren 40 ausgestaltet, um die rotatorische Bewegung eines Motors 41 in eine lineare Bewegung umzusetzen. Ferner ist das andere Ende jeder Sehne 37 an dem jeweiligen Fingerglied 36D wirksam angebracht. Mehrere Rohrleitungen 39 sind in dem Roboterunterarm 22 wirksam derart angeordnet, dass sich jede Rohrleitung 39 zwischen einem jeweiligen der ersten rotatorischen Aktoren 40 und einem jeweiligen der ersten Fingerglieder 36A erstreckt. Die Rohrleitungen 39 sind biegesteif [engl.: flexibly rigid] und definieren einen (nicht gezeigten) hohlen Innenraum. Die Rohrleitungen 39 sind eine Röhre, die biegbar ist und verwendet wird, um eine Spannung in der Länge der Sehne aufrecht zu erhalten, wenn die Hand 28 relativ zu dem Vorderarm 24 um die Handgelenksanordnung 26 herum verschwenkt wird. Die Rohrleitungen 39 können aus Stahl ausgebildet sein. Es ist jedoch festzustellen, dass die Rohrleitungen 39 auch aus einem beliebigen anderen Material ausgebildet sein können, solange die Rohrleitung 39 biegesteif ist. Die Sehnen 37 sind durch den hohlen Innenraum der jeweiligen Rohrleitung 39 hindurch verlegt. Daher stellt die Starrheit jeder der Rohrleitungen 39 eine Unterstützung für die ansonsten flexible Sehne [engl.: conduit] bereit, die durch den hohlen Innenraum hindurch verlegt ist. Die Rohrleitungen 39 sind ausgestaltet, um sich zu biegen und zu krümmen, wenn sich die Hand 28 mit Bezug auf den Vorderarm 24 bewegt.
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Mit Bezug auf 2A enthält jeder Roboterunterarm 22 mehrere der ersten rotatorischen Aktoren 40. Die ersten rotatorischen Aktoren 40 sind in dem Vorderarm 24 wirksam angeordnet. Jeder erste rotatorische Aktor 40 kann einem jeweiligen der Finger 34A–D entsprechen. Daher kann es vier erste rotatorische Aktoren 40 geben, die in dem Vorderarm 40 wirksam angeordnet sind. Es festzustellen, dass mehrere erste Aktoren verwendet werden können, um einen Finger 34 anzutreiben. Mit Bezug nun auf 7 kann jeder erste rotatorische Aktor 40 einen Motor 41 und eine Spindel 44 enthalten. Der Motor kann ein Getriebe 42 aufweisen, das ausgestaltet ist, um eine Getriebeuntersetzung bereitzustellen. Als Beispiel ohne Einschränkung kann die Getriebeuntersetzung 100 zu 1 sein (100:1). Es ist festzustellen, dass andere Übersetzungsverhältnisse verwendet werden können, wie dem Fachmann bekannt ist. Die Spindel 44 erstreckt sich drehbar von dem Getriebe 42 aus und ist ausgestaltet, um sich um eine Rotationsachse A44 herum in eine erste Richtung C1 oder in eine zweite Richtung C2 entgegengesetzt zu der ersten Richtung C1 in Ansprechen auf einen Betrieb des Motors 41 zu drehen. Der Motor 41 kann ein bürstenloser Motor sein. Der erste rotatorische Aktor 40 kann einen Kommutierungscodierer 46 enthalten, der ausgestaltet sein kann, um zusätzlich zu dem Bereitstellen einer Kommutierungssteuerung und Rückmeldung des Motors 42 eine anfängliche absolute Drehposition der Spindel 44 vor dem Starten des Motors 42 festzulegen. Der Kommutierungscodierer 46 kann ein 9-Bit-Codierer sein. Der erste rotatorische Aktor 40 kann außerdem einen weiteren Codierer 48 enthalten, der ausgestaltet ist, um eine absolute Drehposition der Spindel 44 im Betrieb zu bestimmen. Als Beispiel ohne Einschränkung kann der Codierer ein 13-Bit-Codierer sein.
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Wieder mit Bezug auf 2A ist das eine Ende der Sehne 37 an der Spindel 44 des jeweiligen ersten rotatorischen Aktors 40 wirksam angebracht, während das andere Ende der Sehne 37 an einem Fingerglied 36 des jeweiligen Fingers 34 wirksam angebracht ist. Bei einem Beispiel ohne Einschränkung kann die Sehne 37 an dem vierten Fingerglied 36D des jeweiligen Fingers 34 angebracht sein. Wenn einer oder mehrere der ersten rotatorischen Aktoren 40 ein Signal empfängt bzw. empfangen, sich zu schließen oder den jeweiligen Finger 34 anderweitig zurückzuziehen, dreht sich der Motor 42 in die erste Richtung C1, um die Sehne 37 um die Spindel 44 herum zu wickeln. Wenn die Sehne 37 um die Spindel 44 herumgewickelt wird, wird das entsprechende Fingerglied 36 in eine erste Richtung D1 zu der Handfläche 32 der Hand 28 hin gezogen. Wenn analog einer oder mehrere der ersten rotatorischen Aktoren 40 ein Signal empfängt bzw. empfangen den jeweiligen Finger 34 zu öffnen oder anderweitig in eine zweite Richtung D2 weg von der Handfläche 32 auszufahren bzw. zu strecken, dreht sich der Motor 42 in die zweite Richtung C2, um die Sehne 37 von der Spindel 44 abzuwickeln. Der Codierer 48 ist ausgestaltet, um die Absolutposition des jeweiligen Fingers 34 als Funktion der Drehposition der Spindel 44 und der Anzahl der Umdrehungen bereitzustellen, um die sich die Spindel in die Drehrichtung C1 oder C2 um die A44 gedreht hat. Diese Positionsinformation ermöglicht, dass die Finger 34 selektiv teilweise oder vollständig eingefahren oder ausgefahren werden.
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Zudem ist die Rohrleitung 39 ausgestaltet, um Starrheit auf die jeweilige Sehne 37 auszuüben, wenn die Sehne 37 auf die Spindel 44 aufgewickelt und von dieser abgewickelt wird. Daher ist die Sehne 37 durch den hohlen Innenraum der jeweiligen Rohrleitung 39 hindurch derart verlegt, dass die Sehne 37 geschützt wird, wenn das Handgelenk 26 die Hand 28 mit Bezug auf den Vorderarm 24 bewegt, ohne mit sich selbst zusammenzustoßen, um das jeweilige Fingerglied 36 auszufahren. Jede Sehne 37 kann so ausgebildet sein, dass sie einen ausreichend kleinen Durchmesser aufweist, um diskret in den Roboterunterarm 22 verpackt zu werden. Als Beispiel ohne Einschränkung kann jede Sehne 37 einen Durchmesser von bis zu 0,2 cm (0,08 Zoll) aufweisen. Es ist festzustellen, dass der Durchmesser jeder Sehne 37 auch andere Größen aufweisen kann. Jede Sehne 37 kann aus einem beliebigen Material ausgebildet sein, das geeignet ist, um eine ausreichende Zugfestigkeit bereitzustellen, um das vierte Fingerglied 36D zu der Handfläche hin zu ziehen. Als Beispiel ohne Einschränkung können die Sehnen 37 aus einem Fasergewebe ausgebildet sein. Die Fasern können Naturfasern, Polymerfasern und dergleichen umfassen.
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Die Sehnen 37 sind ausgestaltet, um die jeweiligen Finger 34A–D als Funktion des selektiven Betätigens des jeweiligen ersten rotatorischen Aktors 40 einzurollen und auszurollen, indem sie eine Spannung auf den jeweiligen Finger 34A–D aufbringen. In einem Beispiel ohne Einschränkung dreht sich, wenn eine Spannung auf eine beliebige der Sehnen 37 aufgebracht wird und die Sehne 37 an dem vierten Fingerglied 36D wirksam angebracht ist, das entsprechende vierte Fingerglied 36D in eine erste Richtung D1 um die dritte Achse A3 herum, d. h. zu der Handfläche 32 hin. Wenn das vierte Fingerglied 36D mit der Drehung beginnt, werden auch das dritte und das zweite Fingerglied 36C, 36B kaskadenförmig dazu veranlasst, sich zu drehen und einzurollen. Insbesondere dreht sich das dritte Fingerglied 36C in die erste Richtung D1 um die zweite Achse A2 herum, und das zweite Fingerglied 36B dreht sich in die erste Richtung D1 um die erste Achse A1 herum. Daher werden das zweite, dritte und vierte Fingerglied 36D, 36C, 36B jeweils dazu veranlasst, sich zu der Handfläche 32 hin einzurollen.
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Mit Bezug auf 5 kann ein zweiter rotatorischer Aktor 50 das erste Fingerglied 36A des Daumens 34D und die Basisstruktur 30 wirksam miteinander verbinden. Der zweite rotatorische Aktor 50 kann an der Basisstruktur 30 wirksam befestigt sein. Der zweite rotatorische Aktor 50 kann einen Motor 52, ein Schraubengewinde 60, ein Schneckenrad 58 und eine Welle 56 enthalten. Der Motor 52 kann selektiv betrieben werden, um das Schraubengewinde 60 um eine Antriebsachse A60 herum zu drehen. Das Schraubengewinde 60 ist in einer kämmenden Beziehung mit dem Schneckenrad 58 angeordnet. Das Schneckenrad 58 ist an der Welle 56 wirksam befestigt, die wiederum an dem ersten Fingerglied 36A des Daumens 34D wirksam befestigt ist. Das Schneckenrad 58 wird in Ansprechen auf eine Drehung des Schraubengewindes 60 um die Antriebsachse A60 herum um die Basisachse A4 herum selektiv in eine erste Richtung C1 oder eine zweite Richtung C2 entgegengesetzt zu der ersten Richtung C1 gedreht. Die Welle 56, die sich ebenfalls entlang der Basisachse A4 erstreckt, dreht sich mit dem Schneckenrad 58 um die Basisachse A4 herum, was wiederum veranlasst, dass sich der Daumen 34D wegen der Verbindung des ersten Fingerglieds 36A mit der Welle 56 um die Basisachse A4 dreht. Der Codierer 46, 48 kann ausgestaltet sein, um eine Drehposition des ersten Fingerglieds 36A um die Basisachse A4 herum zu bestimmen.
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Wieder mit Bezug auf 3 enthält die Handfläche 32 der Hand 38 mehrere berührungsempfindliche Sensoren 68. Analog enthält mit Bezug auf 4B jedes der Fingerglieder 36A–D mindestens einen berührungsempfindlichen Sensor 68. Jedes der Fingerglieder 36A–D kann mehrere der berührungsempfindlichen Sensoren 68 enthalten. Jeder berührungsempfindliche Sensor 68 ist eine Vorrichtung, die ausgestaltet ist, um Informationen zu messen, die bei einer physikalischen Interaktion mit der Umgebung entstehen. Der berührungsempfindliche Sensor 68 kann ausgestaltet sein, um die Kraft zu erfassen, die von der Hand 28 verwendet wird, um das Objekt 35 zu ergreifen. Jeder berührungsempfindliche Sensor 68 kann in einem Ballen 70 eingeschlossen sein. Der berührungsempfindliche Sensor 68 und der Ballen 70 können zusammen an das jeweilige Fingerglied 36A–D oder an die Handfläche 32 der Hand 38 angeformt sein. Die Ballen 70 sind so ausgestaltet, dass sie ausreichend komprimierbar sind, so dass sich, wenn das Objekt 35 ergriffen wird, die Ballen 70 komprimieren, um den berührungsempfindlichen Sensor 68 zu betätigen. Als Beispiel ohne Einschränkung können die Ballen 70 aus einem Material bestehen, das eine Härte von 70 Shore A aufweist. Es ist jedoch festzustellen, dass Ballen 70 mit einer anderen Härte ebenfalls verwendet werden können. Die Ballen 70 können aus Gummi bestehen, etwa aus Polyurethan-Gummi und dergleichen. Die Ballen 70 können eine Dicke aufweisen, die ausreichend groß ist, um den berührungsempfindlichen Sensor 68 darin einzuschließen. Als Beispiel ohne Einschränkung kann der Ballen 70 eine Dicke von etwa 3,5 mm aufweisen.
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Mit Bezug nun auf 4B und 4D kann jedes Gelenk 38A–C einen Positionssensor 77 enthalten. Als Beispiel ohne Einschränkung kann jeder Positionssensor 77 ein Magnet 73 und ein Halleffekt-Sensor 75 sein. Jeder Positionssensor 77 ist ausgestaltet, um die Absolutposition des jeweiligen Gelenks 38A–C zu messen.
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2A zeigt eine Kamera 72, die in dem Vorderarm angeordnet ist. Die Kamera 72 ist ausgestaltet, um die Hand 28 zu betrachten, einschließlich der Finger 34A–D und/oder der Handfläche 32, um den Abstand der Hand 28 zu dem Objekt 35 zu bestimmen. Die Kamera kann eine dreidimensionale Kamera (3D-Kamera) sein.
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Mit Bezug nun auf 4A–D sind die Finger 34A–C gezeigt. 4A und 4C zeigen entgegengesetzte Seiten 62 der Finger 34A–C. 4B zeigt eine Greifseite 64 und 4D zeigt eine Außenseite 66 entgegengesetzt zu der Greifseite 64.
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Mit Bezug nun auf 2C–2E sind mehrere elastische Bänder 69 entlang der dorsalen Seite der Hand 28 den Sehnen 37 gegenüberliegend, die an der Seite der Handfläche 32 der Hand 28 angeordnet sind, wirksam angeordnet. Insbesondere entspricht jedem der Finger 34A–D ein elastisches Band 69. Daher kann es vier elastische Bänder 69 geben. Eines der elastischen Bänder 69 kann sich zwischen der Basisstruktur 30 oder dem ersten Fingerglied 36A und dem vierten Fingerglied 36D wirksam erstrecken. Jedes elastische Band 69 kann an sowohl dem zweiten als auch dem dritten als auch dem vierten Fingerglied 36B–D wirksam befestigt sein und es kann vorgespannt sein, um Betriebserfordernisse zu erfüllen. Es ist festzustellen, dass die Vorspannung des Bands 69 über alle oder selektive Fingerglieder 36 hinweg justiert werden kann. Wenn eines oder mehrere Fingerglieder 36A–D von einem der Finger 34A–D zu der Handfläche 32 hin gedreht wird bzw. werden, nimmt die Spannung des entsprechenden elastischen Bandes 69 zu. Daher ist der Finger 34A–D ausgestaltet, um sich mit Hilfe der Spannung in dem elastischen Band 69 von der Handfläche 32 weg zu bewegen, wenn die Spannung in einem jeweiligen ersten rotatorischen Aktor 40 verringert wird. Die Spannung wird in dem ersten rotatorischen Aktor 40 verringert, wenn einer oder mehrere der ersten rotatorischen Aktoren 40 ein Signal empfängt bzw. empfangen, um den jeweiligen Finger 34 zu öffnen oder auf andere Weise auszufahren, wobei sich der Motor 42 in die zweite Richtung C2 dreht, um die Sehne 37 von der Spindel 44 abzuwickeln. Wenn die Sehne 37 von der Spindel 44 abgewickelt wird, wird das entsprechende Fingerglied 36 in eine zweite Richtung von der Handfläche 32 der Hand 28 weg mit Hilfe der Spannung in dem jeweiligen elastischen Band 69 gezogen.
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Obwohl für jeden Finger 34A–D ein einziges elastisches Band 69 gezeigt ist, ist festzustellen, dass auch Federn verwendet werden können. Zudem können mehrere elastische Bänder, Federn und/oder Kombinationen daraus für jeden Finger 34A–D verwendet werden. Als Beispiel ohne Einschränkung kann eine Feder angeordnet sein, um benachbarte Fingerglieder 36A–D wirksam miteinander zu verbinden. Folglich würde jeder Finger 34A–D drei Federn aufweisen, die an der dorsalen Seite angeordnet sind.
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Wieder mit Bezug auf 4H ist der Finger 34A–D so gezeigt, dass er sich in einer teilweise ausgefahrenen Position befindet. Jede Position des Fingers 34A–D zwischen der offenen Position, die in 4I gezeigt ist, und der geschlossenen Position, die in 4G gezeigt ist, wird durch das Gleichgewicht zwischen der Spannung in der Sehne 37 und der Spannung in dem elastischen Band 69 erreicht.
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Mit Bezug nun auf 4E–F ist eine Seitenansicht des Fingers 34A–D schematisch veranschaulicht. Wie gezeigt, ist das vierte Fingerglied 36D an dem dritten Gelenk 38C an dem dritten Fingerglied 36C schwenkbar befestigt. Das vierte Fingerglied 36D ist ausgestaltet, um von einer neutralen Achse A36 aus überdehnt zu werden. Die neutrale Achse 36 erstreckt sich durch das erste, zweite, dritte und vierte Fingerglied 36A–D, wenn das erste, zweite, dritte und vierte Fingerglied 36A–D in einer neutralen, d. h. ungebogenen Position, aufeinander ausgerichtet sind. Als Beispiel ohne Einschränkung ist das vierte Fingerglied 36D ausgestaltet, um relativ zu der neutralen Achse A36 um einen Winkel B1 von bis zu 10 Grad überdehnt zu werden. Eine derartige Überdehnung ist ausgestaltet, um das Aufnehmen des Objekts 35 (in 1 gezeigt) durch Verbiegen zu unterstützen, wodurch ermöglicht wird, dass sich das vierte Fingerglied 36D biegt, um das Objekt 35 aufzunehmen, wenn das Objekt 35 ergriffen wird. Daher ermöglicht eine Überdehnung des vierten Fingerglieds 36D, dass das Objekt 35 leicht aufgenommen werden kann. Es ist festzustellen, dass das vierte Fingerglied 36D so ausgestaltet sein kann, dass es sich auch um andere Winkel überdehnt.
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Um zusätzliche Flexibilität bereitzustellen, wenn das Objekt 35 ergriffen wird, veranschaulicht 8 ein flexibles Gelenk 71, das innerhalb des ersten Fingerglieds 36A des ersten Fingers 34A angeordnet ist. Insbesondere enthält das erste Fingerglied 36A des ersten Fingers 34A einen ersten Abschnitt 74 und einen zweiten Abschnitt 76, wobei ein flexibler Abschnitt 78 zwischen dem ersten Abschnitt 74 und dem zweiten Abschnitt 76 angeordnet ist. Der erste Abschnitt 74 ist an der Basisstruktur 30 wirksam befestigt. Der zweite Abschnitt 76 ist an dem ersten Gelenk 38A an dem zweiten Fingerglied 36B verschwenkbar befestigt. Der erste Abschnitt 74, der flexible Abschnitt 78 und der zweite Abschnitt 76 können gemeinsam geformt sein, um eine einheitliche Struktur auszubilden. Der erste Abschnitt 74 und der zweite Abschnitt 76 können aus Aluminium ausgebildet sein. Alternativ können als weiteres nicht einschränkendes Beispiel der erste Abschnitt 74 und der zweite Abschnitt 76 einen Thermokunststoff wie etwa PEI und dergleichen enthalten. Der flexible Abschnitt 78 ist aus einem elastischen Material ausgebildet, das ausgestaltet ist, um Flexibilität zwischen dem ersten Abschnitt 74 und dem zweiten Abschnitt 76 bereitzustellen. Als Beispiel ohne Einschränkung kann der flexible Abschnitt 78 synthetischen Gummi und dergleichen umfassen.
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Mit Bezug auf 5 und 6 erstreckt sich der dritte Finger 34C bei einem Handflächengelenk 80 flexibel von der Basisstruktur 30 aus. Insbesondere ist das erste Fingerglied 36A mit einer Basisplatte 82 starr verbunden. Eine erste Klammer 84 ist an der Basisplatte 82 wirksam befestigt, wobei eine Federplatte 83 dazwischen eingeklemmt ist. Zudem befestigt eine zweite Klammer 86 wirksam die Federplatte 83 an der Basisstruktur 30, so dass die erste Klammer 84 zwischen dem ersten Fingerglied 36A und der zweiten Klammer 86 wirksam angeordnet ist. Die erste Klammer 84 enthält eine erste Oberfläche 88, die der zweiten Klammer 86 zugewandt ist. Analog enthält die zweite Klammer 86 eine zweite Oberfläche 90, die sich der Basisplatte 82 gegenüberliegend in einer beabstandeten Beziehung zu der ersten Oberfläche 88 erstreckt, um dazwischen einen Spalt 92 zu definieren. Die Federplatte 83 ist ausgestaltet, um sich in der Spanne des Spalts 92 zu biegen, der zwischen der ersten Oberfläche 88 und der zweiten Oberfläche 90 definiert ist, so dass sich der dritte Finger 34C relativ zu der Basisstruktur 30 und der zweiten Klammer 86 bei der Handflächenverbindung 80 verschwenkt. Der Spalt 92 ist so dimensioniert, dass die erste Oberfläche 88 die zweite Oberfläche 90 kontaktiert, um die Drehung des dritten Fingers 34C relativ zu der Basisstruktur 30 und der zweiten Klammer 86 zu stoppen oder anderweitig zu begrenzen. Die Federplatte 83 ist aus einem Material ausgebildet, das ausgestaltet ist, um eine ausreichende Flexibilität und Starrheit bereitzustellen, etwa Stahl. Es ist festzustellen, dass auch andere Materialien verwendet werden können, wie dem Fachmann bekannt ist.
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Wieder mit Bezug auf 4I enthalten die Fingerglieder 36A–D mehrere Offen-Kontaktoberflächen 96. Die Offen-Kontaktoberflächen 96 sind ausgestaltet, um als ”Anschläge” zwischen benachbarten Fingergliedern 36A–D zu wirken, wenn sich der Finger 34A–D in der geschlossenen Position befindet. Mit Bezug nun auf 4G enthalten die Fingerglieder mehrere Offen-Kontaktoberflächen 94. Wie bei der geschlossenen Position wirken die Offen-Kontaktoberflächen 94 als Anschläge zwischen benachbarten Fingergliedern 36A–D, wenn sich der Finger 34A–D in der offenen Position befindet.
