Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Gelenkmechanismus, der einen Menschen und/oder Maschinenbediener während der Ausführung manueller oder automatisierter Arbeitsaufgaben beim Einwirken auf eine statische Last, wie dem Bewegen oder Positionieren eines Werkzeugs bzw. einer Nutzlast, unterstützt. Fertigungs- und Montagemaschinen sind konzipiert, um die Bewegung und Positionierung von Komponenten zu steuern. Diese Bewegungskontrolle wird über elektronische Steuersignale erreicht, z. B. von einer Mensch-Maschine- oder Maschine-Maschine-Schnittstelle eines Automationssystems. Automationssysteme können auch eine spezielle Struktur als Tragehilfe für das Gewicht der Nutzlast beinhalten. The present disclosure relates to a hinge mechanism that assists a human and / or machine operator in performing manual or automated work tasks when acting on a static load, such as moving or positioning a tool or payload. Manufacturing and assembly machines are designed to control the movement and positioning of components. This motion control is achieved via electronic control signals, z. From a man-machine or machine-machine interface of an automation system. Automation systems can also incorporate a special structure as a carrying aid for the weight of the payload.
ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY
Ein nachgiebiger Gelenkmechanismus und ein entsprechendes System werden hierin offenbart, zur
physischen Interaktion von einem Bediener, d. h., einem Menschen mit einer Maschine. Der nachgiebige Gelenkmechanismus kann verwendet werden, um den Bediener beim Bewegen oder anderweitigen Einwirken auf eine statische Last zu unterstützen, aufgesetzt auf oder gestützt von einem Schlitten, der das abschließende/finale Verbindungsglied des nachgiebigen Gelenkmechanismus bildet. Eine Nutzlast, ein Arbeitswerkzeug oder ein anderes Objekt kann mit dem Schlitten über einen Endeffektor verbunden werden, und damit könnte die Größenordnung der statischen Last, wie hierin betrachtete, vom Schlitten allein bis zur Summe von Schlitten, Endeffektor und allen vom Endeffektor getragenen Lasten reichen. Mechanismus und System sind zur Verringerung von Haftreibung („Haften”) konfiguriert, die beim Bewegen einer derartigen statischen Last bzw. beim Einwirken auf dieselbe auftreten, und damit zur Bereitstellung einer gewünschten Menge an linearer/translativer Nachgiebigkeit. A compliant hinge mechanism and system are disclosed herein
physical interaction of an operator, ie, a human with a machine. The compliant hinge mechanism may be used to assist the operator in moving or otherwise engaging a static load, seated on or supported by a carriage that forms the final / final link of the compliant hinge mechanism. A payload, implement, or other object may be connected to the carriage via an end effector, and thus the magnitude of the static load as contemplated herein could range from the carriage alone to the sum of the carriage, end effector, and all loads carried by the end effector. The mechanism and system are configured to reduce stiction that occurs upon moving such static load and thereby providing it with a desired amount of linear / translational compliance.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Nachgiebigkeit” auf einen Grad der Verlagerung, verursacht als Reaktion auf eine angesetzte Eingangskraft, sodass eine erhöhte Nachgiebigkeit eine größere Verlagerung bei dem gleichen angesetzten Kraftaufwand ergibt. Der Begriff „linearer Nachgiebigkeitsmechanismus”, wie hierin verwendet, beschreibt somit einen hochnachgiebigen translativen Freiheitsgrad (DOF), d. h., einen DOF, in dem eine relativ weite lineare Verlagerung aus einer relativ niedrigen angesetzten Antriebskraft resultiert. In dieser Weise wird die vom Bediener wahrgenommene Anstrengung reduziert, wenn der Bediener die statische Last bewegt oder anderweitig auf diese einwirkt. Die Translation kann trotz eventueller Drehung der Verbindungsglieder des Nachgiebigkeitsmechanismus linear oder quasi-linear verlaufen. Mit anderen Worten: Die Translation erfolgt rein über die Drehbewegungen im Nachgiebigkeitsmechanismus, ohne Verwendung von z. B. Gleitelementen oder anderen linearen Vorrichtungen. As used herein, the term "compliance" refers to a degree of displacement caused in response to an applied input force such that increased compliance gives greater displacement at the same applied force. The term "linear compliance mechanism" as used herein thus describes a highly compliant translational degree of freedom (DOF), i. a DOF in which a relatively large linear displacement results from a relatively low applied drive force. In this way, the operator perceived effort is reduced as the operator moves or otherwise acts on the static load. The translation may be linear or quasi-linear in spite of any rotation of the links of the compliance mechanism. In other words: Translation takes place purely through the rotational movements in the compliance mechanism, without the use of z. B. sliding elements or other linear devices.
Das System beinhaltet den nachgiebigen Gelenkmechanismus, und in bestimmten Ausführungsformen eine Stützkonstruktion wie eine obenliegende Laufkatze oder einen Roboter. Der nachgiebige Gelenkmechanismus, der mit der Tragstruktur und der statischen Last verbunden sein kann, gibt dem System einen oder mehrere gesteuerte lineare/translative Freiheitsgrade (DOF) entlang einer gegebenen horizontalen und/oder vertikalen Achse eines mehrachsigen Bezugssystems, z. B. eines kartesischen XYZ-Beispielrahmens. Unterschiedliche einzelne serielle oder kombinierte Ausführungsformen erzeugen die gewünschte Nachgiebigkeit und den DOF, um das gewünschte Nachgeben des Endeffektors mit einer beliebigen statischen Last aus einer durch den Bediener oder eine Maschine angesetzten Eingangskraft zu erzielen. Wie hierin beschrieben, nutzt der nachgiebige Gelenkmechanismus Verbindungsglieder und einachsiges Drehgelenke, um den beschriebenen linearen/translativen DOF und eine stabile Gleichgewichtsposition zu erzeugen. The system includes the compliant hinge mechanism, and in certain embodiments, a support structure such as an overhead trolley or a robot. The compliant hinge mechanism, which may be associated with the support structure and the static load, provides the system with one or more controlled linear / translational degrees of freedom (DOF) along a given horizontal and / or vertical axis of a multiaxial datum system, e.g. A Cartesian XYZ sample frame. Different individual serial or combined embodiments produce the desired compliance and DOF to achieve the desired yielding of the end effector with any static load from an input force applied by the operator or machine. As described herein, the compliant hinge mechanism utilizes links and uniaxial pivots to produce the described linear / translational DOF and stable equilibrium position.
Der nachgiebige Gelenkmechanismus kann einen Endeffektor beinhalten. Die Tragkonstruktion beinhaltet den gesamten Steuerungs-DOF des Systems, außerhalb des translativen DOF, die von dem nachgiebigen, gegebenenfalls den Endeffektor beinhaltenden Gelenkmechanismus erzeugt wird. Die als „Endeffektor” wie hierin verwendet bezeichnete Komponente kann als Mehrfachfingergreifer, Saugnapfeinheit, Spannbacken oder -klammern und dergleichen konfiguriert sein. Der nachgiebige Gelenkmechanismus ist statisch ausbalanciert, sodass ein Schlitten und jeder angeschlossene Endeffektor in einer stabilen Gleichgewichtslage bleibt, wenn die Last losgelassen wird, wobei in horizontalen DOF-Ausführungsformen Schwerkraft als Rückstellkraft des Schlittens in die Gleichgewichtslage genutzt wird, und in vertikalen DOF-Ausführungsformen eine mechanische Rückstellkraft mittels Federkraft erzeugt wird, beispielsweise von einer Schraubenfeder, einem Zylinder oder einem anderem elastischen Element. Die Drehbewegung im nachgiebigen Gelenkmechanismus wird somit in eine quasi-lineare Bewegung des nachgiebigen Gelenkmechanismus mit einer angekoppelten statischen Last umgewandelt, entlang eines translativen DOF mit einer Gleichgewichtsstellung. Der Nachgiebigkeitsmechanismus begrenzt oder verhindert auch eine Drehbewegung des Endeffektors und aller von diesem getragener statischen Lasten, was für manche Anwendungsfälle wünschenswert sein kann. The compliant hinge mechanism may include an end effector. The support structure incorporates the overall control DOF of the system, outside the translational DOF generated by the compliant hinge mechanism, which may include the end effector. The component referred to as "end effector" as used herein may be configured as a multi-finger gripper, suction cup unit, jaws or clamps, and the like. The compliant articulating mechanism is statically balanced so that a carriage and any attached end effector remain in a stable equilibrium position when the load is released, utilizing gravity as the restoring force of the carriage to equilibrium position in horizontal DOF embodiments, and in vertical DOF embodiments mechanical restoring force is generated by spring force, for example by a coil spring, a cylinder or other elastic element. The rotational motion in the compliant hinge mechanism is thus converted into a quasi-linear motion of the compliant hinge mechanism with a coupled static load along a translational DOF with an equilibrium position. The compliance mechanism also limits or prevents rotational movement of the end effector and any static loads carried thereby, which may be desirable for some applications.
Die Tragekonstruktion und/oder der Endeffektor können einen oder mehrere aktiv gesteuerte („aktive”) DOF aufweisen, die linear und/oder rotativ sein können und über eine optionale Steuerung automatisch gesteuert werden kann. Der nachgiebige Gelenkmechanismus stellt demgegenüber in den verschiedenen offenbarten Ausführungsformen einen passiven translativen DOF zur Verfügung. The support structure and / or the end effector may include one or more actively controlled ("active") DOFs, which may be linear and / or rotational and may be automatically controlled via optional control. The compliant hinge mechanism, in contrast, provides a passive translational DOF in the various disclosed embodiments.
Der nachgiebige Gelenkmechanismus kann optional als Parallelogrammkonfiguration ausgeführt werden und/oder kann obere und/oder untere Nachgiebigkeitsmechanismen beinhalten. In einer Ausführungsform ist der obere Nachgiebigkeitsmechanismus zum Anschluss an den Tragmechanismus konfiguriert. Der untere Nachgiebigkeitsmechanismus kann an dem oberen Nachgiebigkeitsmechanismus befestigt werden, um die nachgiebige Bewegung der statischen Last mit einem oder beiden horizontalen DOF und/oder dem einen vertikalen DOF, wie oben erwähnt, sicherzustellen. The compliant hinge mechanism may optionally be implemented as a parallelogram configuration and / or may include upper and / or lower compliance mechanisms. In one embodiment, the upper compliance mechanism is configured for connection to the support mechanism. The lower compliance mechanism may be attached to the upper compliance mechanism to ensure compliant movement of the static load with one or both horizontal DOF and / or the one vertical DOF as noted above.
Der nachgiebige Gelenkmechanismus beinhaltet in einigen Ausführungsformen
einen Schlitten und ein Paar von parallelen Gelenkviereck-Baugruppen mit einem ersten Verbindungsgliedsatz, konfiguriert zur festen Verbindung an der Tragstruktur, einem zweiten Verbindungsgliedsatz, drehbar mit dem Schlitten gekoppelt in einer Abstand von dem ersten Verbindungsgliedsatz, und einen dritten Verbindungsgliedsatz, drehbar über den Abstand zwischen dem ersten und zweiten Verbindungsgliedsatz an diese gekoppelt. Der nachgiebige Gelenkmechanismus ist dazu konfiguriert, den Schlitten zu tragen und unter Nutzung der Erdbeschleunigung als Rückstellkraft in eine stabile Gleichgewichtsposition zu bringen, und dazu, den Schlitten entlang einer ersten horizontalen Achse mit einem passivem translativen Freiheitsgrad als Reaktion auf eine von einem Bediener angesetzte Eingangskraft zu versehen. The resilient hinge mechanism includes, in some embodiments
a slide and a pair of parallel four bar link assemblies having a first link set configured for fixed connection to the support structure, a second link set rotatably coupled to the carriage spaced from the first link set, and a third link set rotatable across the distance between the first and second link set coupled thereto. The compliant hinge mechanism is configured to support the carriage and place it in stable equilibrium position using the gravitational acceleration as the return force and to move the carriage along a first horizontal axis with a passive translational degree of freedom in response to an operator input force Mistake.
Ein zusätzlicher nachgiebiger Gelenkmechanismus, wie ein Sarrus-Mechanismus oder ein Parallelogrammgestänge, kann verwendet werden, um einen passiven/translativen DOF entlang einer vertikalen Achse zu erzeugen. Beispielsweise kann der zusätzliche nachgiebige Gelenkmechanismus eine obere Platte, eine untere Platte sowie ein erstes und zweites Verbindungsgliedpaar beinhalten, das zwischen den Platten sitzt und mit diesen verbunden ist. Das erste und zweite Verbindungsgliedpaar sind in Scharnieren oder Drehgelenken drehbar angeordnet, wodurch der Abstand zwischen der oberen und untere Platte zu- und abnimmt, basierend auf einer bogenförmigen Bewegung um die Scharniere. An additional compliant hinge mechanism, such as a Sarrus mechanism or a parallelogram linkage, may be used to create a passive / translative DOF along a vertical axis. For example, the additional compliant hinge mechanism may include an upper plate, a lower plate and a first and second link pair that is seated between and connected to the plates. The first and second linkage pairs are rotatably mounted in hinges or hinges whereby the distance between the upper and lower plates increases and decreases based on arcuate movement about the hinges.
Bestimmte Ausführungsformen können an den verschiedenen Gelenken Bremsen und/oder Verriegelungen einsetzen oder die Gelenkbewegung durch Steuersignale von der optionalen Steuerung begrenzen. Beispielsweise kann die Höhenverstellung des Systems auf eine oder mehrere Stufen begrenzt werden, konfiguriert zur Erfassung der Bewegung eines gegebenen Verbindungsgliedes in Gelenknähe und zur Übertragung eines Stufengrenzsignals an die Steuerung, wenn sich die Verbindungsglieder über einen vorbestimmten Grenzbereich hinaus bewegen. Die Steuerung kann als Reaktion auf ein Stufengrenzsignal die Bewegungen der Tragstruktur oder anderer Mechanismen des Systems mittels aktivem DOF selektiv stoppen, z. B. durch Arretierung der Bewegung oder Unterbrechung des Energieflusses über die Bremsen. Verriegelungen können nach Bedarf auch zum Feststellen der Bewegung des nachgiebigen Gelenkmechanismus oder der Tragstruktur entlang einer beliebigen Achse eingesetzt werden. Certain embodiments may employ brakes and / or locks on the various joints or limit articulation by control signals from the optional controller. For example, the height adjustment of the system may be limited to one or more stages configured to detect the movement of a given link near the joint and to transmit a step limit signal to the controller as the links move beyond a predetermined limit. The controller may selectively stop the movements of the support structure or other mechanisms of the system by means of active DOF in response to a step limit signal, e.g. B. by locking the movement or interrupting the flow of energy through the brakes. Latches may also be used as needed to detect movement of the compliant hinge mechanism or support structure along any axis.
Die oben aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsform/en und der besten Ausführungsweise/n der beschriebenen Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und beigefügten Ansprüchen ersichtlich. The above-listed features and advantages, as well as other features and advantages of the present disclosure, will become apparent from the following detailed description of the embodiment (s) and best mode (s) of the disclosed disclosure, taken in conjunction with the accompanying drawings and appended claims.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
1 stellt eine schematische Seitenansicht eines Systems das, das einen offenbarungsgemäßen nachgiebigen Gelenkmechanismus verwendet. 1 FIG. 12 is a schematic side view of a system using a compliant hinge mechanism in accordance with the present disclosure. FIG.
1A und 1B sind zusätzliche schematische Seitenansichten des in 1 dargestellten Systems. 1A and 1B are additional schematic side views of the in 1 illustrated system.
2 stellt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des exemplarischen nachgiebigen Gelenkmechanismus dar, der über zwei horizontale Freiheitsgrade (DOF) verfügt. 2 FIG. 12 illustrates a perspective view of one embodiment of the exemplary compliant hinge mechanism having two horizontal degrees of freedom (DOF). FIG.
3A und 3B sind perspektivische Ansichten eines Teils des in 2 dargestellten nachgiebigen Gelenkmechanismus. 3A and 3B are perspective views of part of the in 2 illustrated resilient hinge mechanism.
4A–4B stellen perspektivische Ansichten einer Ausführungsform des nachgiebigen Gelenkmechanismus dar, der über einen vertikalen DOF verfügt. 4A - 4B FIG. 4 illustrates perspective views of one embodiment of the compliant hinge mechanism having a vertical DOF. FIG.
5 stellt eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des nachgiebigen Gelenkmechanismus mit einem vertikalen DOF dar. 5 FIG. 12 illustrates a schematic side view of an alternative embodiment of the compliant hinge mechanism with a vertical DOF. FIG.
6 stellt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des nachgiebigen Gelenkmechanismus dar, der drei DOF mit translativer Nachgiebigkeit bereitstellt. 6 FIG. 12 illustrates a perspective view of an alternative embodiment of the compliant hinge mechanism that provides three translational compliance DOFs.
7 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des in 2–3B dargestellten nachgiebigen Gelenkmechanismus mit optionalem Parallelogramm. 7 is a schematic side view of an embodiment of the in 2 - 3B shown compliant hinge mechanism with optional parallelogram.
8 ist eine perspektivische Ansichtsveranschaulichung einer alternativen Ausführungsform, in der die nachgiebigen Gelenkmechanismen der 2 und 5 kombinieren, um einen translativen DOF entlang drei unterschiedlicher Achsen zu erzeugen. 8th FIG. 12 is a perspective view illustration of an alternative embodiment in which the compliant hinge mechanisms of FIG 2 and 5 combine to create a translational DOF along three different axes.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsformen der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Offenbarung im Detail erörtert. Gleiche oder ähnliche Verweisziffern in der Zeichnungen und der Beschreibung beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Strukturen. Die Figuren sind in vereinfachter Form und nicht maßstäblich dargestellt. Zur Vereinfachung und Klarheit können richtungsweisende Begriffe, wie oben, unten, links, rechts, nach oben, über, oben, unter, unterhalb, hinten und vorn mit Bezug auf die Zeichnungen angewendet werden. Diese und diesen ähnliche, richtungsweisende Begriffe sind in keiner Weise zur Begrenzung des Umfangs der Offenbarung auszulegen. Hereinafter, several embodiments of the disclosure shown in the accompanying drawings will be discussed in detail. Like or similar reference numerals in the drawings and description refer to the same or similar structures. The figures are shown in simplified form and not to scale. For simplicity and clarity, directional terms such as above, below, left, right, up, over, above, below, below, behind and forward may be applied with reference to the drawings. These and other similar, indicative terms are not to be construed as limiting the scope of the disclosure in any way.
Ein Beispielsystem 11 ist in 1 dargestellt, konfiguriert zum Tragen und Positionieren einer statischen Last 32, d. h., einer Nutzlast, eines Arbeitswerkzeugs oder eines anderen Objekts mit einer bekannten/feststehenden und damit statischen Masse. Das System 11 beinhaltet einen nachgiebigen Gelenkmechanismus 16, in 1–1B zur exemplarischen Vereinfachung schematisch als Kasten dargestellt. Die nachgiebige Gelenkmechanismus 16 bietet einen, zwei, oder drei lineare/translative Freiheitsgrade (DOF) in verschiedenen Ausführungsformen, wie hierin mit Verweis auf 2–8 dargelegt, und kann eine optionale Tragstruktur 12 und Steuerung (C) 18 beinhalten. Der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 kann einen Endeffektor 13 beinhalten oder an diesen gekoppelt sein, konfiguriert zum Koppeln, Sichern oder anderweitigem Tragen der statischen Last 32. An example system 11 is in 1 illustrated configured to carry and position a static load 32 ie, a payload, work tool or other object with a known / static and thus static mass. The system 11 includes a resilient hinge mechanism 16 , in 1 - 1B for exemplary simplification schematically shown as a box. The resilient hinge mechanism 16 provides one, two, or three linear / translational degrees of freedom (DOF) in various embodiments, as referenced herein 2 - 8th and may be an optional support structure 12 and control (C) 18 include. The flexible hinge mechanism 16 can be an end effector 13 or coupled to it, configured to couple, secure, or otherwise carry the static load 32 ,
Die Stützkonstruktion 12 kann als beliebige Positionierungs- und Stützstruktur mit mehreren gesteuerten DOF ausgeführt werden, von denen einige aktiv (“aktiver DOF”) und einige passiv (“passiver DOF”) gesteuert werden können. Im Ausführungsbeispiel der 1 beinhaltet die Tragstruktur 12 einen Grundkörper 14 und verschiedene Aufhängungsgestänge 30, die über elektronische Signale (Pfeil CCO) von der Steuerung 18 angesteuert werden. In anderen Ausführungsformen kann die Tragstruktur 12, wie in 1B dargestellt, einen Mehrachsroboter 60 beinhalten, beispielsweise einen 6-achsigen Industrieroboter. Ein derartiger Roboter 60 kann an einem Trägerteil 51, wie einem Podest, einer Säule oder einem Ausleger montiert sein, vertikal ausgerichtet wie dargestellt oder oben eingehängt, der dem Roboter 60 ermöglicht, den nachgiebigen Gelenkmechanismus zu sichern und zu positionieren. 1B zeigt zudem eine Hand 20H eines Bedieners 20, dargestellt in den 1 und 1B, während der Bediener 20 einen Positionierhandgriff erfasst und den mit einer statischen Last 32 gekoppelten nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 bewegt, wobei die Last 32 in 1B zwecks Übersichtlichkeit weggelassen wurde. Obwohl hier ein Bediener 20 dargestellt ist, kann der hierin beschriebene Bediener 20 in verschiedenen Ausführungsformen eine Maschine, ein Roboter, oder ein machinenassistierter menschlicher Bediener sein. Demzufolge darf der Begriff „Bediener” wie hierin verwendet nicht auf menschliche Bediener eingeschränkt werden. The support structure 12 can be implemented as any positioning and support structure with multiple controlled DOF, some of which can be actively controlled ("active DOF") and some passively ("passive DOF"). In the embodiment of 1 includes the support structure 12 a basic body 14 and various suspension rods 30 that have electronic signals (arrow CC O ) from the controller 18 be controlled. In other embodiments, the support structure 12 , as in 1B presented a multi-axis robot 60 include, for example, a 6-axis industrial robot. Such a robot 60 Can on a support part 51 be mounted as a pedestal, a pillar or a jib, vertically aligned as shown or hung up to the robot 60 allows to secure and position the flexible hinge mechanism. 1B also shows a hand 20H an operator 20 , presented in the 1 and 1B while the operator 20 detects a positioning handle and that with a static load 32 coupled resilient hinge mechanism 16 moves, taking the load 32 in 1B has been omitted for clarity. Although here is an operator 20 can be described, the operator described herein 20 in various embodiments, be a machine, a robot, or a machine-operator human operator. As a result, the term "operator" as used herein should not be limited to human operators.
Der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 der 1 und 1A ist konfiguriert, um Haftreibung zu reduzieren und den Bediener 20 durch Reduzierung oder Eliminierung gezielter Nutzlasten bei der Durchführung aller gegebener Arbeitsaufgaben passiv zu unterstützen, sowie dem Bediener 20 die Manipulation des Endeffektors 13 in einem dreidimensionalen Raum zu ermöglichen, wie in 1 durch einen kartesischen XYZ-Bezugssystem dargestellt. Als Beispiel kann der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 in Verbindung mit einem in der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 14/811,072, eingereicht am 28. Juli 2015 unter dem Titel „Low-Impedance Articulated Device and Method for Assisting a Manual Assembly Task” (Gelenkvorrichtung und -verfahren mit niedriger Impedanz zur Unterstützung einer manuellen Montagetätigkeit) beanspruchten System angewendet werden, das als Verweis in seiner Gesamtheit hier eingefügt ist. The flexible hinge mechanism 16 of the 1 and 1A is configured to reduce stiction and the operator 20 to passively support by reducing or eliminating targeted payloads in performing all given work tasks, as well as the operator 20 the manipulation of the end effector 13 to allow in a three-dimensional space, as in 1 represented by a Cartesian XYZ reference system. As an example, the resilient hinge mechanism 16 in conjunction with a U.S. Patent Application Serial No. 14 / 811,072, filed July 28, 2015, entitled "Low-impedance Articulated Device and Method for Assisting a Manual Assembly Task." a manual assembly operation), which is incorporated herein by reference in its entirety.
Im Ausführungsbeispiel der 1 und 1A kann die Tragstruktur 12 optional obenliegende Stützträger 22 mit einem aktiven/betätigten linearen Positioniermechanismus beinhalten, z. B. einen obenliegenden Portal- oder Brückenkran mit doppeltem linearem DOF, ausgestattet mit Antriebsrädern 17 die mit den Aufhängegestängen 30 einen Wagen bilden und einen möglichen rotativen DOF bereitstellen. Die Stützträger 22 können einen oder mehrere horizontale Schienen 24, vertikale Stützträger 26 und abgewinkelte Stützträger 28 beinhalten. Die Begriffe „horizontal” und „vertikal”, wie hierin verwendet, beziehen sich auf eine typische Ausrichtung nach dem kartesischen XYZ-Bezugssystem, mit der Z-Achse der vertikalen Achse orthogonal zu der horizontalen X und Y Achsen, und X und Y Achsen, welche orthogonal zueinander. Die vertikale Stützträger 26 und die abgewinkelten Stützträger 28 tragen zusammen das Gewicht der horizontalen Schienen 24 und allen daran aufgehängten Strukturen, wobei die horizontalen Schienen 24 im Verhältnis zum Bediener 20 in stehender Position obenliegend angeordnet sind. Die Antriebsräder 17 können von Motoren mit Ketten- oder Riementrieben und dergleichen (nicht dargestellt) betätigt werden, sodass der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 mit allen getragenen statischen Lasten 32 eine Translationsbewegung entlang der horizontalen Schienen 24 ausführt, wie durch den Doppelpfeil AA angezeigt, oder sich nach Bedarf dreht. In the embodiment of 1 and 1A can the support structure 12 optional overhead support beams 22 with an active / actuated linear positioning mechanism, e.g. As an overhead portal or bridge crane with double linear DOF equipped with drive wheels 17 the ones with the suspension rods 30 Build a cart and provide a possible rotary DOF. The support beams 22 can have one or more horizontal rails 24 , vertical support beams 26 and angled support beams 28 include. The terms "horizontal" and "vertical" as used herein refer to a typical orientation according to the Cartesian XYZ reference system, with the Z-axis of the vertical axis orthogonal to the horizontal X and Y axes, and X and Y axes, which orthogonal to each other. The vertical support beams 26 and the angled support beams 28 together carry the weight of the horizontal rails 24 and all the structures suspended therefrom, the horizontal rails 24 in relation to operator 20 arranged in a standing position overhead. The drive wheels 17 can be operated by motors with chain or belt drives and the like (not shown), so that the flexible hinge mechanism 16 with all carried static loads 32 a translational movement along the horizontal rails 24 performs as indicated by the double arrow AA or rotates as needed.
Die gleichen Antriebsräder 17 und das Aufhängungsgestänge 30 können in manchen Ausführungsformen im Verhältnis zu den horizontalen Schienen 24 orthogonal versetzt werden, wie durch den Doppelpfeil BB in 1A dargestellt. Die beiden translativen DOF können zusammen mit translativen und rotativen DOF des optionalen Grundkörpers 14 von der Steuerung 18 gesteuert werden, sodass der Grundkörper 14 eine Struktur zum Bereitstellen des translativen DOF der Beispielstützkonstruktion 22 beinhaltet. Wie oben erwähnt ist die Struktur in 1 und 1A lediglich eine mögliche Konfiguration, wobei der in 1B dargestellte Roboter 60 dazu eingesetzt wird, bei anderen Ausführungsformen die gleichen oder zusätzlichen translativen und/oder rotativen DOF bereitzustellen. The same drive wheels 17 and the suspension linkage 30 may in some embodiments relative to the horizontal rails 24 be offset orthogonally, as indicated by the double arrow BB in 1A shown. The two translational DOFs can be used together with translational and rotational DOF of the optional main body 14 from the controller 18 be controlled so that the main body 14 a structure for providing the translational DOF of the example supporting structure 22 includes. As mentioned above, the structure is in 1 and 1A only one possible configuration, wherein the in 1B illustrated robot 60 is used to provide the same or additional translational and / or rotational DOF in other embodiments.
Die Steuerung 18 von 1 und 1A kann als Digitalcomputer mit einem Prozessor (P) und einem Speicher (M) ausgeführt werden. Der Speicher (M) beinhaltet ausreichenden konkreten permanenten Speicherplatz, z. B. ROM-Festwertspeicher Flash-Speicher, Optik- und/oder Magnetspeicher EEPROM-Festwertspeicher und dergleichen. Der Speicher (M) beinhaltet auch ausreichenden Transientenspeicher, wie Direktzugriffsspeicher oder elektronischen Puffer. Zusätzlich kann die Steuerung 18 auch einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, analog-zu-digitale und digital-zu-analoge Schaltkreise, Input-Output-Schaltkreise und -Geräte sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Impedanzwandler-Schaltkreise umfassen. Der Speicher (M) kann mit computerlesbaren Anweisungen 100 programmiert werden, um die Steuerung 18 nach Bedarf zum Ansteuern aller aktiven Gelenke, Bremsen B und Verriegelungsmechanismen 182 zu befähigen, einschließlich der Arretierung der Bewegungen der Tragstruktur 12 oder des vorübergehenden Festsetzens von Bewegungen entlang einer gegebenen Achse falls erforderlich. An den einzelnen Gelenken können Codierer (nicht dargestellt) angebracht werden, um falls erforderlich Gelenkstellungen oder -winkel an die Steuerung 18 zu melden. The control 18 from 1 and 1A can be executed as a digital computer with a processor (P) and a memory (M). The memory (M) contains sufficient concrete permanent storage space, e.g. ROM read-only memory flash memory, optical and / or magnetic memory EEPROM read-only memory and the like. The memory (M) also includes sufficient transient memory, such as random access memory or electronic buffer. In addition, the controller 18 Also include a high-speed clock, analog-to-digital and digital-to-analog circuits, input-output circuits and devices as well as suitable signal conditioning and impedance converter circuits. The memory (M) can be used with computer-readable instructions 100 be programmed to control 18 as needed to control all active joints, brakes B and locking mechanisms 182 to enable, including the locking of the movements of the support structure 12 or temporarily setting movements along a given axis if necessary. Encoders (not shown) may be attached to the individual joints to provide joint positions or angles to the controller, if required 18 Report to.
Die Steuerung 18 kann auch eine optionale Mensch-Maschine-Benutzeroberfläche (HMI) wie einen Touchscreen zur Auswahl unterschiedlicher Steuermodi der Tragstruktur 12 beinhalten. Die HMI ist so programmiert, um dem Bediener 20 die Auswahl einer bestimmten Aufgabe, eines Steuermodus und der zugehörigen Regelvorschrift als Eingangssignal (Pfeil CCI) zu ermöglichen. Beispielsweise können betätigte Gelenke der Tragstruktur 12 autonom angesteuert werden, wenn die Gelenke unabhängig vom Bediener 20 vorprogrammierte Aufgaben durchführen, um den nicht wertschöpfenden zusätzlichen Aufwand des Bedieners 20 z. B. bei der Grobpositionierung der Vorrichtung 16, Endeffektor 13 und statische Last 32 zu reduzieren. The control 18 Also, an optional human-machine user interface (HMI) such as a touch screen can be used to select different control modes of the support structure 12 include. The HMI is programmed to the operator 20 the selection of a specific task, a control mode and the associated control rule as an input signal (arrow CC I ) to allow. For example, actuated joints of the support structure 12 be controlled autonomously, if the joints independent of the operator 20 Perform pre-programmed tasks to the non-value-added additional effort of the operator 20 z. B. in the coarse positioning of the device 16 , End effector 13 and static load 32 to reduce.
Als Teil des Gesamtsteuerung des Systems 11 kann die Steuerung 18 Positionssignale (Pfeil PX) aus einer Vielzahl von Gelenkpositionssensoren (SP) empfangen, die an den entsprechenden Gelenkstellgliedern (nicht dargestellt) des Systems 11 angeordnet sind, d. h. den passiv oder aktiv betätigten Gelenken. Zusätzliche Gelenkpositionssensoren (SP) können im Verhältnis zu, d. h. auf, in, oder in unmittelbarer Nähe zu dem nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 angeordnet werden. Zur Vereinfachung sind nur zwei derartige Gelenkpositionssensoren (SP) dargestellt, es kann jedoch eine beliebige Anzahl von Gelenkpositionssensoren (SP) verwendet werden. Auf diese Weise kann die Steuerung 18 Positionsrückmeldungen zur Gesamtbewegungssteuerung des Systems 11 einsetzen. Der Bediener 20 kann von der Steuerung 18 über die HMI Vorrichtung zusätzliche Eingangssignale (Pfeil CCI) empfangen, wie Auswahlvorgänge einer bestimmten Aufgabe und/oder bevorzugte Steuermodi. As part of the overall control of the system 11 can the controller 18 Position signals (arrow P X ) from a plurality of joint position sensors (S P ) received at the corresponding joint actuators (not shown) of the system 11 are arranged, ie the passively or actively actuated joints. Additional joint position sensors (S P ) may be relative to, ie, on, in, or in close proximity to the compliant hinge mechanism 16 to be ordered. For simplicity, only two such joint position sensors (S P ) are shown, but any number of joint position sensors (S P ) may be used. That way the controller can 18 Position feedback to the overall motion control of the system 11 deploy. The operator 20 can from the controller 18 receive additional input signals (arrow CC I ) via the HMI device, such as selections of a particular task and / or preferred control modes.
Reichweitengrenzsignale (Pfeil L) können durch einen oder mehrere Reichweitengrenzsensoren (SL) erfasst werden, die im System 11 in unmittelbarer Nähe zu den verschiedenen Gelenkgrenzen des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16, des Endeffektors 13 und der Tragstruktur 12 angeordnet sind. Die Steuersignale (Pfeil CCO) werden von der Steuerung 18 an die verschiedenen Gelenkstellglieder des Systems 11 übertragen, z. B. drahtlos oder über eine Niederspannungs-Verkabelung, um gewünschte relative Stellungen der verschiedenen aktiven Gelenke des Systems 11 beizubehalten, wenn diese aktiven Gelenke genutzt werden. Range limit signals (arrow L) may be detected by one or more range limit sensors (S L ) operating in the system 11 in close proximity to the various joint boundaries of the compliant hinge mechanism 16 , the end effector 13 and the support structure 12 are arranged. The control signals (arrow CC O ) are from the controller 18 to the various joint actuators of the system 11 transferred, z. Wirelessly or via low voltage cabling to desired relative positions of the various active joints of the system 11 maintain when these active joints are used.
Wenn der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 einen Grenzbereich eines seiner Gelenke erreicht, erfasst von den Reichweitengrenzsensoren (SL) und an die Steuerung 18 als Reichweitengrenzsignale (Pfeil L) übertragen, kann die Steuerung 18 als Teil der Steuersignale (Pfeil CCO) das Aussetzen bzw. den Halt der Stützkonstruktionsbewegung 12 anweisen. Beispielsweise kann die Steuerung 18 als Reaktion auf die Reichweitengrenzsignale (Pfeil L) durch die Übertragung von Ansteuerungssignalen (Pfeil CCO) an Bremsstellglieder oder Bremsen (B) an den verschiedenen Gelenken des Systems 11 eine Notabschaltung (Not-Aus) der Tragstruktur 12 auslösen. Die Reichweitengrenzsignale (Pfeil L) können aus Gründen der Signalredundanz duale Kanäle enthalten. Verriegelungen 182 können an einem entsprechenden Drehgelenk der weiter unten beschriebenen Nachgiebigkeitsvorrichtung 16 angebracht werden, um im Bedarfsfall vorübergehend die Bewegung entlang einer gegebenen Achse zu verhindern. If the flexible hinge mechanism 16 reaches a boundary region of one of its joints, detected by the range limit sensors (S L ) and to the controller 18 transmitted as range limit signals (arrow L), the controller 18 as part of the control signals (arrow CC O ) the suspension of the support structure movement 12 instruct. For example, the controller 18 in response to the range limit signals (arrow L), by transmitting drive signals (arrow CC O ) to brake actuators or brakes (B) at the various joints of the system 11 an emergency shutdown (emergency stop) of the support structure 12 trigger. The range limit signals (arrow L) may be dual for reasons of signal redundancy Contain channels. locks 182 may be at a corresponding pivot of the compliance device described below 16 be mounted to temporarily prevent the movement along a given axis, if necessary.
In der Technik bekannte Bremstypen (B) können Magnetventileinrichtungen oder Hydraulikklammern, Reibungsbremsen, magnetische Bremsen oder andere mechanische oder elektrische Verriegelungen beinhalten. Derartige Bremsstellglieder können unabhängig ausgelöst werden, d. h., ohne Rücksicht auf den Status der Reichweitengrenzsignale (Pfeil L). Das heißt, die Bremsen (B) können selektiv ausgelöst werden, um den Bewegungsbereich des Endeffektors 13 und jeder angekoppelten statischen Last 32 in einem entsprechenden Freiheitsgrad des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 einzuschränken. Ein Beispielort für das Bremsstellglied (B) ist schematisch in 1 dargestellt, der technisch versierte Fachmann wird jedoch erkennen, dass alle Gelenke mit ähnlichen Bremsstellgliedern (B) ausgestattet und automatisch gesteuert werden können, sodass einzelne aktive DOF über die Steuersignale (Pfeil CCO) wahlweise verriegelt werden können. Desgleichen können die Verriegelungsvorrichtungen 182 Klammern, Stifte oder andere geeignete formschlüssige Mechanismen sein. Für eine gegebene Nachgiebigkeitsvorrichtung 16 ist die Verriegelung Drehung um ein Gelenk ausreichend, um die Bewegung entlang einer gegebenen Achse/eines Freiheitsgrad zu blockieren. Brake types (B) known in the art may include solenoid valve devices or hydraulic clamps, friction brakes, magnetic brakes, or other mechanical or electrical interlocks. Such brake actuators can be triggered independently, ie, regardless of the status of the range limit signals (arrow L). That is, the brakes (B) can be selectively triggered to control the range of motion of the end effector 13 and any coupled static load 32 in a corresponding degree of freedom of the flexible hinge mechanism 16 limit. An example location for the brake actuator (B) is shown schematically in FIG 1 However, those skilled in the art will recognize that all joints can be equipped with similar brake actuators (B) and automatically controlled so that individual active DOFs can be selectively locked via the control signals (arrow CC O ). Likewise, the locking devices 182 Clamps, pins or other suitable form-locking mechanisms. For a given compliance device 16 Locking rotation about a hinge is sufficient to block movement along a given axis / degree of freedom.
Wie in 2 dargestellt kann der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 konfiguriert sein, um einen oder zwei horizontale lineare/translative DOF für die Handhabung des Endeffektors 13 mit statischer Last 32 laut 1 bereitzustellen, d. h. eine passive translative DOF entlang der Achsen X und/oder Y im kartesischen Beispielbezugssystem bereitzustellen. Der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 in der nicht einschränkenden exemplarischen Ausführungsform von 2 beinhaltet einen oberen Nachgiebigkeitsmechanismus 36 und einen unteren Nachgiebigkeitsmechanismus 38, wobei sich „oberer” und „unterer” auf die normale vertikale Ausrichtung des Bedieners 20 der 1 und 1A bezieht. Wenn lediglich ein translativer DOF erwünscht ist, kann der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 entfallen. Der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 kann mit der Tragstruktur 12 unter Verwendung jedes geeigneten Befestigungmittels gekoppelt werden, z. B. Schrauben, Klammern oder Klemmen. Der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 kann benachbart zum oberen Mechanismus 36 angeordnet werden, z. B. wie dargestellt auf vertikalen Schienen 37. Die Verbindungsglieder 46 des oberen Nachgiebigkeitsmechanismus 36 sind koaxial ausgerichtet und können starr mit der Tragstruktur 12 gekoppelt werden, beispielsweise über Schrauben, Klemmen oder andere geeignete Mittel, sodass die Drehbewegung laut den 3A und 3B stattfindet, während die Ausrichtung der Verbindungsglieder 46 fest bleibt. As in 2 shown may be the yielding hinge mechanism 16 be configured to handle one or two horizontal linear / translative DOFs for handling the end effector 13 with static load 32 loud 1 to provide, ie provide a passive translative DOF along the axes X and / or Y in the example Cartesian reference system. The flexible hinge mechanism 16 in the non-limiting exemplary embodiment of FIG 2 includes an upper compliance mechanism 36 and a lower compliance mechanism 38 , where "upper" and "lower" on the normal vertical orientation of the operator 20 of the 1 and 1A refers. If only a translational DOF is desired, the lower compliance mechanism can 38 omitted. The upper compliance mechanism 36 can with the support structure 12 be coupled using any suitable attachment means, e.g. As screws, clamps or clamps. The lower compliance mechanism 38 can be adjacent to the upper mechanism 36 be arranged, for. B. as shown on vertical rails 37 , The connecting links 46 the upper compliance mechanism 36 are coaxially aligned and can be rigid with the support structure 12 be coupled, for example via screws, clamps or other suitable means, so that the rotational movement according to the 3A and 3B takes place while the alignment of the links 46 stays firm.
Jeder der entsprechenden oberen und unteren Nachgiebigkeitsmechanismen 36 und 38 kann oben eingehängt oder anderweitig oben befestigt werden, z. B. an den Schienen 24 (1 und 1A) oder am Roboter 60 (1B). Im Betrieb sind die Mechanismen 36 und/oder 38 konfiguriert, um einen Schlitten 92 zu tragen, der zumindest ein Verbindungsglied 57, oder eine Vielzahl von Verbindungsgliedern 57 beinhaltet, die in einer vordefinierten geometrischen Form, beispielsweise einem Rechteck oder Quadrat, starr miteinander gekoppelt sind. Der Ausdruck „starr gekoppelt”, wie hierin verwendet, bedeutet dass der Schlitten 92 als ganze Einheit bewegt wird, das heißt, als starrer Kastenrahmen wie dargestellt. Wenn der Schlitten 92 gekoppelt ist, befinden sich der Endeffektor 13 und die statische Last 32 in einer stabilen Gleichgewichtsposition, bei der die Schwerkraft als Rückstellkraft wirkt, d. h. als gravitative Rückstellkraft. Das wird erreicht durch die Umsetzung der Drehbewegung der Gestänge des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 im Allgemeinen lineare/quasi-lineare Bewegungen, unter Nutzung der reinen Schwerkraft, d. h. wenn der Bediener 20 die statische Last 32 der 1 und 1A freigibt. Der Schlitten 92 kann mit dem Endeffektor 13 der 1 gekoppelt werden, beispielsweise mit Klammern, Schrauben, Klemmen oder einem anderen geeigneten Befestigungsmittel. Each of the corresponding upper and lower compliance mechanisms 36 and 38 can be hung up or otherwise attached above, z. B. on the rails 24 ( 1 and 1A ) or on the robot 60 ( 1B ). In operation are the mechanisms 36 and or 38 configured to a sled 92 to wear, at least one link 57 , or a plurality of links 57 includes, which are rigidly coupled together in a predefined geometric shape, such as a rectangle or square. The term "rigidly coupled" as used herein means that the carriage 92 is moved as a whole unit, that is, as a rigid box frame as shown. When the sled 92 is coupled, are the end effector 13 and the static load 32 in a stable equilibrium position, in which gravity acts as a restoring force, ie as a gravitational restoring force. This is achieved by the implementation of the rotational movement of the linkage of the flexible hinge mechanism 16 in general, linear / quasi-linear movements, using pure gravity, ie when the operator 20 the static load 32 of the 1 and 1A releases. The sled 92 can with the end effector 13 of the 1 be coupled, for example, with brackets, screws, clamps or other suitable fastening means.
3A und 3B veranschaulichen die Funktion des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 aus 2 mit Bezug auf den oberen Nachgiebigkeitsmechanismus 36. Die Funktion des unteren Nachgiebigkeitsmechanismus 38 ist identisch konfiguriert, mit der gleichen Struktur, aber entlang einer unterschiedlichen horizontalen Achse orientiert. Daher gilt die Beschreibung des oberen nachgiebigen Mechanismus 36 auch für den unteren Nachgiebigkeitsmechanismus 38. 3A and 3B illustrate the function of the flexible hinge mechanism 16 out 2 with reference to the upper compliance mechanism 36 , The function of the lower compliance mechanism 38 is identically configured, with the same structure, but oriented along a different horizontal axis. Therefore, the description of the upper compliant mechanism applies 36 also for the lower compliance mechanism 38 ,
Der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 kann einen Satz von parallelen Gelenkviereck-Anordnungen 41 beinhalten, die an beiden Seiten symmetrisch sind, wie dargestellt, beispielsweise identisch in einigen Ausführungsformen, und drehbar in parallelen Ebenen. Derartige Anordnungen bieten eine Umsetzung einer Drehbewegung des Endeffektors 13 in eine allgemeine Linearbewegung, beispielsweise einen flachen Bogen, der innerhalb ungefähr 5–10 Grad der echten Horizontale liegt. Es versteht sich, dass eine Vielzahl von Gelenkvierecken 41 verwendet werden kann, um die die Aufgaben der Offenbarung zu erfüllen. Beispielsweise kann der Satz von Gelenkvierecken 41 einen abgeänderten Tschebyschow-Mechanismus enthalten. In anderen beispielhaften Ausführungsformen der Offenbarung kann ein Hoecken-Mechanismus oder ein Tschebyschow-Lambda-Mechanismus verwendet werden, um die Drehbewegung in allgemein geradlinige bzw. lineare Bewegung umzuwandeln, um die Aufgaben der Offenbarung zu erfüllen. Die geradlinige Bewegung wird offenbarungsgemäß in eine quasi-lineare Bewegung abgeändert, die aus einem Kreisbogenabschnitt besteht, dessen Zentrum weit oberhalb des Schlittens 92 liegt. Das hilft bei der Herstellung der hierin beschriebenen mittigen Gleichgewichtslage. The upper compliance mechanism 36 can be a set of parallel four-bar linkage arrangements 41 which are symmetrical on both sides as shown, for example identical in some embodiments, and rotatable in parallel planes. Such arrangements provide an implementation of a rotational movement of the end effector 13 in a general linear motion, for example, a flat arc that is within about 5-10 degrees of the true horizontal. It is understood that a variety of four-bar linkages 41 can be used to fulfill the duties of the disclosure. For example, the set of four-bar linkages 41 contain a modified Chebyshev mechanism. In other In exemplary embodiments of the disclosure, a hoist mechanism or a Chebyshev lambda mechanism may be used to convert the rotary motion into generally straight-line motion to accomplish the objects of the disclosure. According to the disclosure, the rectilinear movement is modified into a quasi-linear movement, which consists of a circular arc section whose center is far above the carriage 92 lies. This helps to produce the central equilibrium position described herein.
Der Satz von parallelen Gelenkviereck-Anordnungen 41 kann als erster und zweiter Satz von parallelen Gelenkviereck-Anordnungen 42 und 44 wie in den 3A–3B dargestellt ausgeführt werden. Die Gestängeanordnungen 42 und 44 können ein oberes Verbindungsglied 46 beinhalten, das ein gemeinsames Element zwischen den Gestängeanordnungen 41 sein kann. Jedoch versteht es sich, dass in jedem der jeweiligen Sätze von Gestängeanordnungen 42 und 44 unterschiedliche obere Verbindungsglieder 46 zur Erfüllung der offenbarungsgemäßen Aufgaben verwendet werden können. Obwohl in den 3A und 3B nicht dargestellt, kann das obere Verbindungsglied 46 zur Befestigung an einem benachbarten Nachgiebigkeitsmechanismus 16 ausgebildet oder starr mit der Stützkonstruktion verbunden 12 der 1 sein. The set of parallel four-bar linkages 41 can be used as the first and second set of parallel four-bar linkages 42 and 44 like in the 3A - 3B shown executed. The linkage arrangements 42 and 44 can be an upper link 46 include a common element between the linkage assemblies 41 can be. However, it is understood that in each of the respective sets of linkage arrangements 42 and 44 different upper links 46 can be used to fulfill the objects according to the disclosure. Although in the 3A and 3B not shown, the upper link 46 for attachment to an adjacent compliance mechanism 16 trained or rigidly connected to the support structure 12 of the 1 be.
Der Satz von Gelenkvierecken 42 kann erste und zweite Verbindungsglieder 48 und 50 beinhalten, die sich über den Abstand zwischen dem/den oberen Verbindungsglied(ern) 46 und den unteren Verbindungsgliedern 82, 98 erstreckt. Jedes Verbindungsglied 48, 50 ist einstellbar an jeweiligen Drehgelenken 52 und 54 mit dem oberen Verbindungsglied 46 verbunden. Aus Gründen der Klarheit erstrecken sich die ersten und zweiten Verbindungsglieder 48 und 50 generell vom oberen Verbindungsglied 46 nach unten in Richtung der unteren Verbindungsglieder 82, 98. Die Drehgelenke 52 und 54 wirken mit den entsprechenden ersten und zweiten Verbindungsgliedern 48 und 50 zusammen, sodass sich jedes Verbindungsglied 48 und 50 um eine Achse drehen kann, die durch das entsprechende Drehgelenk 52 oder 54 führt, wie durch die Pfeile 56 und 58 dargestellt. Die unteren Enden der ersten und zweiten Verbindungsglieder 48, 50 sind über die Drehgelenke 62 und 64 einstellbar mit dem unteren Verbindungsglied 98 verbunden. Das obere Verbindungsglied 46, die ersten und zweiten Verbindungsglieder 48 und 50 und das untere Verbindungsglied 98, stellen die Verbindungsglieder des ersten Satzes von parallelen Gelenkviereck-Anordnungen 42 dar, nachdem sie miteinander verbunden sind. Die Verbindungsglieder 48 und 50 können sich um eine Achse drehen, die durch die jeweiligen Drehgelenke 62 und 64 führt, wie durch die Pfeile 66 und 68 gezeigt. The set of four-bar linkages 42 can be first and second links 48 and 50 include the distance between the top link (s) 46 and the lower links 82 . 98 extends. Each link 48 . 50 is adjustable on respective hinges 52 and 54 with the upper link 46 connected. For clarity, the first and second links extend 48 and 50 generally from the upper link 46 down towards the lower links 82 . 98 , The swivel joints 52 and 54 act with the corresponding first and second links 48 and 50 together, so that each link 48 and 50 can rotate around an axis passing through the corresponding swivel joint 52 or 54 leads, as by the arrows 56 and 58 shown. The lower ends of the first and second links 48 . 50 are over the swivel joints 62 and 64 adjustable with the lower link 98 connected. The upper link 46 , the first and second links 48 and 50 and the lower link 98 Figures 1 and 2 illustrate the links of the first set of parallel four-bar linkages 42 after they are connected. The connecting links 48 and 50 can rotate around an axis that passes through the respective pivot joints 62 and 64 leads, as by the arrows 66 and 68 shown.
Der zweite Satz von parallelen Gelenkviereckanordnungen 44 kann zu den Anordnungen 42 benachbart angeordnet sein und mit diesen zusammenwirken. Die Anordnungen 44 beinhalten im Allgemeinen dritte und vierte Verbindungsglieder 70 und 72. Die dritten und vierten Verbindungsglieder 70 und 72 sind über die Drehgelenke 74 und 76 einstellbar mit dem oberen Verbindungsglied 46 verbunden. Die Gelenke 74 und 76 ermöglichen eine Drehbewegung, wie von den Pfeilen 78 und 80 angezeigt, des jeweiligen dritten und vierten Verbindungsgliedes 70 und 72 um eine Achse, die durch die Drehgelenke 74 und 76 führt. Die unteren Enden der Verbindungsglieder 70 und 72 sind mit dem unteren Link 82 über die Drehgelenke 84 und 86 verbunden, sodass die Verbindungsglieder 70 und 72 sich jeweils um Achsen drehen können, die durch die Drehgelenke 84 und 86 führen, wie jeweils durch die Pfeile 88 und 90 dargestellt. The second set of parallel four-bar linkages 44 can to the arrangements 42 be arranged adjacent to and interact with these. The arrangements 44 generally include third and fourth links 70 and 72 , The third and fourth links 70 and 72 are over the swivel joints 74 and 76 adjustable with the upper link 46 connected. The joints 74 and 76 allow a rotational movement, as from the arrows 78 and 80 indicated, the respective third and fourth link 70 and 72 about an axis passing through the swivel joints 74 and 76 leads. The lower ends of the links 70 and 72 are with the lower link 82 over the swivel joints 84 and 86 connected so that the links 70 and 72 can each rotate about axes through the swivel joints 84 and 86 lead, as indicated by the arrows 88 and 90 shown.
In einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann der Schlitten 92 einstellbar mit dem unteren Verbindungsglied 82 und 98 der jeweiligen ersten und zweiten Gestängeanordnungen 42, 44 über die Gelenke 94, 96 verbunden sein. Der Schlitten 92 kann zur Aufnahme und lösbaren Befestigung des Endeffektors 13 konfiguriert sein, wie schematisch in 1 dargestellt. Der Schlitten 92 kann von rechteckiger Form und sich im Wesentlichen parallel zur oberen Verbindungsgliedern 46 erstrecken. In one non-limiting embodiment, the carriage 92 adjustable with the lower link 82 and 98 the respective first and second linkage arrangements 42 . 44 over the joints 94 . 96 be connected. The sled 92 Can accommodate and releasably attach the end effector 13 be configured as shown schematically in 1 shown. The sled 92 may be rectangular in shape and substantially parallel to the upper links 46 extend.
In 3B sind die parallelen Gelenkviereckanordnungen 42 und 44 in einer gegenüber der Position von 3A versetzten Position dargestellt. In der versetzten Position drehen sich die entsprechenden ersten, zweiten, dritten, und vierten Verbindungsglieder 48, 50, 70, und 72 der ersten und zweiten Verbindungen 42, 44 um die Drehgelenke 52, 54, 74, und 76. Die unteren Verbindungsglieder 82 und 98 der jeweiligen ersten und zweiten Gestänge 42, 44 drehen sich als Reaktion auf die Drehbewegung der Verbindungsglieder der Gestängeanordnung 42, 44. Als Reaktion auf diese Drehbewegung der unteren Verbindungsglieder 82 und 98 wird der Schlitten 92 entlang einer allgemein linearen Strecke versetzt, dargestellt durch den Doppelpfeil LL, wodurch die gewünschte Nachgiebigkeit der Last 32 von 1 erreicht wird, die an dem Schlitten 92 befestigt ist, obwohl sie in 3B weggelassen wird. In 3B are the parallel four-bar linkages 42 and 44 in a position opposite to the position of 3A offset position shown. In the staggered position, the corresponding first, second, third, and fourth links rotate 48 . 50 . 70 , and 72 the first and second connections 42 . 44 around the swivel joints 52 . 54 . 74 , and 76 , The lower links 82 and 98 the respective first and second linkage 42 . 44 rotate in response to the rotational movement of the links of the linkage assembly 42 . 44 , In response to this rotational movement of the lower links 82 and 98 becomes the sled 92 offset along a generally linear path, represented by the double arrow LL, whereby the desired compliance of the load 32 from 1 is achieved on the carriage 92 is attached, although in 3B is omitted.
Nach der Versetzung kehren der Schlitten 92 des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 der 3B und insbesondere der Endeffektor 13 mit einer eventuell angekoppelten statischen Last 32 wieder in eine stabile Gleichgewichtsposition gemäß 3A zurück, wobei die Schwerkraft als Rückstellkraft wirkt, d. h. als gravitative Rückstellkraft. Das heißt, ein Tschebyschow-Mechanismus, wie hier zur Ausführung einer Kreisbewegung mit einem großen Radius modifiziert, stellt im Zusammenwirken mit der Schwerkraft eine ausreichende Rückstellkraft bereit, um die Drehbewegung in eine statische Gleichgewichtsposition zu bringen. Die Anordnung der Gestänge im nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 der 2–3B erzeugt eine nahezu lineare Nachgiebigkeit mithilfe von Schwerkraft unter gleichzeitiger wesentlicher Verringerung der Haftreibungskräfte, wie sie häufig im Zusammenhang mit konventionellen Linearführungen entstehen. Aus Gründen der Klarheit können sich die Drehachsen, die durch die verschiedenen Drehgelenke der ersten und zweiten Gestängeanordnungen 42 und 44 führen, in dieser Anordnung generell horizontal und seitlich und im Allgemeinen parallel zueinander erstrecken. After the transfer, the sledge returns 92 the resilient hinge mechanism 16 of the 3B and in particular the end effector 13 with a possibly coupled static load 32 again in a stable equilibrium position according to 3A back, with gravity acts as a restoring force, ie as a gravitational restoring force. That is, a Chebyshov's mechanism, as modified here for performing a circular motion with a large radius, provides sufficient return force in conjunction with gravity; to bring the rotary motion into a static equilibrium position. The arrangement of the linkage in the flexible hinge mechanism 16 of the 2 - 3B It produces nearly linear compliance by gravity while significantly reducing the static friction forces often associated with conventional linear guides. For reasons of clarity, the axes of rotation may be determined by the various pivot joints of the first and second linkage assemblies 42 and 44 lead, in this arrangement generally horizontally and laterally and generally parallel to each other.
Jeder einzelne nachgiebige Gelenkmechanismus 16 steuert wie oben beschrieben eine lineare/translative Bewegung entlang einer einzigen horizontalen Bewegungsachse oder DOF. Der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 der 2–3B kann optional benachbart zu den vertikalen Stützträgern 26 der in 1 dargestellten Stützkonstruktion 12 oder an dem Roboter 60 der 1B befestigt werden, und der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 kann z. B. über die Schienen 37 in 2 an einem Abschnitt des oberen Nachgiebigkeitsmechanismus 36 befestigt werden. Der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 stellt das Gleichgewicht her und steuert die lineare Bewegung in einer Richtung oder einem DOF, in diesem Fall der Y-Achse, während der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 das Gleichgewicht herstellt und die lineare Bewegung in einer unterschiedlichen Achse der Bewegung oder DOF steuert, in diesem Fall der X-Achse. Jeder der oberen und unteren nachgiebigen Mechanismen 36 und 38 können als erste und zweite Sätze von parallelen Gelenkvierecken, wie dargestellt, ausgeführt werden. Every single flexible joint mechanism 16 As described above, controls a linear / translational motion along a single horizontal axis of motion or DOF. The upper compliance mechanism 36 of the 2 - 3B can optionally be adjacent to the vertical support beams 26 the in 1 illustrated support structure 12 or on the robot 60 of the 1B be attached, and the lower compliance mechanism 38 can z. B. over the rails 37 in 2 at a portion of the upper compliance mechanism 36 be attached. The upper compliance mechanism 36 establishes balance and controls linear motion in one direction or DOF, in this case the Y-axis, while the lower compliance mechanism 38 establishes the equilibrium and controls the linear motion in a different axis of motion or DOF, in this case the X-axis. Each of the upper and lower yielding mechanisms 36 and 38 may be implemented as first and second sets of parallel articulated quadrilaterals as shown.
Demnach bleibt der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 in einer stabilen Gleichgewichtslage, während der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 die Position des auf dem Schlitten befestigten 92 Endeffektors 13/der statischen Last 32 entlang eines gesteuerten, linearen bzw. im Allgemeinen linearen Weges entlang der Achse X einstellt. Wenn die relative Position innerhalb des Systems 11 eingestellt wird, stabilisiert und steuert der obere Nachgiebigkeitsmechanismus 36 die Bewegung des Endeffektors 13/der statischen Last 32 auf der Y-Bewegungsachse, während der untere Nachgiebigkeitsmechanismus 38 die stabile Bewegung des Endeffektors 13/der statischen Last 32 entlang der Achse X oder umgekehrt gewährleistet, falls die Ausrichtungen umgekehrt werden. Thus, the upper compliance mechanism remains 36 in a stable equilibrium position, while the lower compliance mechanism 38 the position of the mounted on the carriage 92 end effector 13 / the static load 32 along a controlled, linear or generally linear path along the axis X adjusts. If the relative position within the system 11 is set, stabilized and controlled by the upper compliance mechanism 36 the movement of the end effector 13 / the static load 32 on the Y-axis of motion, while the lower compliance mechanism 38 the stable movement of the end effector 13 / the static load 32 along the axis X or vice versa, if the orientations are reversed.
Die Verwendung eines Doppelsatzes paralleler Gelenkviereckanordnungen 41 für jeden der oberen und unteren Nachgiebigkeitsmechanismen 36 und 38 in Kombination mit dem Stapeln der oberen und unteren Nachgiebigkeitsmechanismen 36, 38, gewährleistet einen kompakten Nachgiebigkeitsmechanismus 16 mit einem stabilen Gleichgewicht mit Schwerkraft als Rückstellkraft, wie oben erwähnt. In einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung kann die Steuerung 18 eine Anschlag-zu-Anschlag-Bewegung des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 anweisen, wodurch jeder der oberen und unteren Nachgiebigkeitsmechanismen 36, 38 veranlasst wird, die Bewegung abzubrechen und in eine Gleichgewichtsposition zurückzukehren, um die Bewegung der Last 32 zu stoppen. The use of a double set of parallel four-bar linkages 41 for each of the upper and lower compliance mechanisms 36 and 38 in combination with the stacking of the upper and lower compliance mechanisms 36 . 38 , ensures a compact compliance mechanism 16 with a stable equilibrium with gravity as the restoring force, as mentioned above. In another embodiment of the disclosure, the controller may 18 a stop-to-stop movement of the compliant hinge mechanism 16 instruct, making each of the upper and lower compliance mechanisms 36 . 38 is caused to stop the movement and return to an equilibrium position to the movement of the load 32 to stop.
Kurz bezugnehmend auf 7 kann die Konfiguration der 3A–B vereinfacht werden und als grundlegende Parallelogrammanordnung 36A angewendet werden. In einer derartigen Ausführungsform kann das obere Verbindungsglied 46 parallel zu einem unteren Verbindungsglied 46A angeordnet werden, wobei die Verbindungsglieder 70A und 72A jeweils an den Drehgelenken 176 drehbar mit dem oberen Verbindungsglied 46 und 174 verbunden sind. Desgleichen ist das untere Verbindungsglied 46A jeweils an den Gelenken 186 und 184 drehbar mit den Verbindungsgliedern 70A und 72A verbunden. Die Bewegung des unteren Verbindungsglieds 46A, an dem der Endeffektor 13 der 1 angebracht sein kann, ergibt somit eine quasi-lineare Translation des Endeffektors 13, wie durch die flache Bahn (T) eines Mittelpunkts P1 des unteren Verbindungsglieds 46A dargestellt. Während in 7 nur ein Verbindungsgliedsatz 70A, 72A verwendet werden kann, kann als zusätzliche Stütze ein paralleler Verbindungsgliedersatz 70A, 72A eingesetzt werden, um eine kastenartige Anordnung in ähnlicher Weise wie in 3A–B zu bilden. Briefly referring to 7 can the configuration of 3A -B be simplified and as a basic parallelogram arrangement 36A be applied. In such an embodiment, the upper link 46 parallel to a lower link 46A are arranged, wherein the connecting members 70A and 72A each at the swivel joints 176 rotatable with the upper link 46 and 174 are connected. Likewise, the lower link 46A each at the joints 186 and 184 rotatable with the links 70A and 72A connected. The movement of the lower link 46A at which the end effector 13 of the 1 can be attached, thus resulting in a quasi-linear translation of the end effector 13 as by the flat path (T) of a center P 1 of the lower link 46A shown. While in 7 only one link set 70A . 72A can be used as an additional support a parallel link replacement 70A . 72A be used to form a box-like arrangement in a similar manner as in 3A -B form.
Die Ausführungsformen der 2–3B und 7 zeigen Konzepte zur Erzielung einer passiven Nachgiebigkeit mit einem oder beiden horizontalen DOF. Zusätzlich stellen die 4A–4B ein zur Erzielung eines vertikalen DOF hilfreiches Ausführungsbeispiel dar. Ein nachgiebiger Gelenkmechanismus 160 in Form eines Sarrus-Mechanismus wird gezeigt, der zur passiven Erzielung eines linearen DOF in der Z-Achse fähig ist. Wie in 4A dargestellt, beinhaltet eine Deckplatte 132, z. B. ein rechteckiges oder quadratisches Stück aus Metall oder starrem Kunststoff, Aufnahmeelemente 134 wie vertikal ausgerichtete Platten, konfiguriert zur Aufnahme eines Abschnitts der Stützkonstruktion 12 der 1. Die obere Platte 132 ist zudem mit einer Federstütze 156 verbunden. Eine erstes Verbindungsgliedpaar beinhaltet ein oberes Verbindungsglied 138, einstellbar an einem Abschnitt der oberen Platte 132 verbunden, und ein unteres Verbindungsglied 140, einstellbar an einer Bodenplatte 142 verbunden. Die Bodenplatte 142 kann konfiguriert werden, um den Endeffektor 13 mit Last 32 der 1 aufzunehmen und zu tragen. Ein statisches Gleichgewicht ist somit entlang der Z-Achse gegeben, dargestellt durch den Pfeil ZZ. The embodiments of the 2 - 3B and 7 show concepts for achieving passive compliance with one or both horizontal DOFs. In addition, the 4A - 4B a useful embodiment for achieving a vertical DOF. A compliant hinge mechanism 160 in the form of a Sarrus mechanism, which is capable of passively achieving a linear DOF in the Z-axis. As in 4A shown, includes a cover plate 132 , z. B. a rectangular or square piece of metal or rigid plastic, receiving elements 134 such as vertically oriented plates configured to receive a portion of the support structure 12 of the 1 , The top plate 132 is also equipped with a spring support 156 connected. A first link pair includes an upper link 138 , adjustable on a section of the top plate 132 connected, and a lower link 140 , adjustable on a base plate 142 connected. The bottom plate 142 can be configured to the end effector 13 with load 32 of the 1 to pick up and carry. A static equilibrium is thus given along the Z-axis, represented by the arrow ZZ.
Das obere Verbindungsglied 138 und das untere Verbindungsglied 140 drehbar verbunden sind über ein Scharnier oder ein Drehgelenk 144 miteinander verbunden. Ein zweiter Verbindungsglieder- oder Plattensatz 146, benachbart am ersten Verbindungsgliedpaar angeordnet, beinhaltet ein oberes Verbindungsglied 148, das einstellbar an der Deckplatte 132 befestigt ist, und ein unteres Verbindungsglied 150, das einstellbar an der Bodenplatte 142 befestigt ist. Das obere Verbindungsglied 148 und das untere Verbindungsglied 150 sind über ein Scharnier oder Drehgelenk 152 miteinander verbunden. Ein Federelement 154 kann zwischen der Federstütze 156 und einem Querträger 149 angebracht werden, der sich zwischen den oberen Verbindungsgliedern 138 erstreckt. Das Federelement 154, beispielsweise eine Schraubenfeder, ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder oder eine andere geeignete Struktur, stellt eine statische Kraft bereit, mit einer Gleichgewichtsposition der Mitte der Reichweite des nachgiebigen Gelenkmechanismus 160. Das Federelement 154 stützt damit die Last 32 und bringt eine mechanische Rückstellkraft auf, im Gegensatz zu der gravitativen Rückstellkraft, die als Rückstellkraft auf den horizontalen Achsen genutzt, wenn die Last 32 oder Betreiber darauf wirkenden Kraft losgelassen wird. The upper link 138 and the lower link 140 are rotatably connected via a hinge or a swivel joint 144 connected with each other. A second link or plate set 146 Adjacent to the first link pair includes an upper link 148 Adjustable on the cover plate 132 is attached, and a lower link 150 adjustable on the bottom plate 142 is attached. The upper link 148 and the lower link 150 are about a hinge or swivel 152 connected with each other. A spring element 154 can be between the spring support 156 and a crossbeam 149 be attached, extending between the upper links 138 extends. The spring element 154 For example, a coil spring, a pneumatic or hydraulic cylinder, or other suitable structure provides a static force with an equilibrium position of the center of reach of the compliant hinge mechanism 160 , The spring element 154 supports the load 32 and applies a mechanical restoring force, in contrast to the gravitational restoring force, which is used as restoring force on the horizontal axes when the load 32 or operator is released on it acting force.
4B stellt den nachgiebigen Gelenkmechanismus 160 der 4A in eine vertikal gestreckten Position dar, d. h., in vertikaler Richtung ausgestreckt, wie durch den Doppelpfeil ZZ angezeigt. Die entsprechenden oberen und unteren Befestigungselemente 138 und 140 drehen sich in den Scharnieren 144, 152, wodurch der Abstand zwischen der oberen Platte 132 und der Bodenplatte 142 erhöht oder verringert wird, basierend auf der kreisförmigen Bewegung der Scharniere 144, 152. Das oben erwähnte Federelement 154 wirkt mit der Gelenkbewegung des ersten Plattenpaars 132 zusammen, um so eine statische Kraft aufzubringen, mit einer Gleichgewichtsposition in der Mitte der vertikalen Bewegungsfreiheit und Verringerung der Haftreibung. 4B provides the yielding hinge mechanism 160 of the 4A in a vertically extended position, ie, extended in the vertical direction, as indicated by the double arrow ZZ. The corresponding upper and lower fasteners 138 and 140 turn in the hinges 144 . 152 , reducing the distance between the top plate 132 and the bottom plate 142 is increased or decreased based on the circular movement of the hinges 144 . 152 , The above-mentioned spring element 154 acts with the joint movement of the first pair of plates 132 together so as to apply a static force, with an equilibrium position in the middle of the vertical freedom of movement and reduction of stiction.
as Federelement 156 kann einstellbar mit der oberen Platte 132 verbunden werden. Eine Position des Federelement 156 ist in manchen Ausführungsformen im Verhältnis zu der oberen Platte 132 einstellbar, um die Spannung des Federelements 154 zu erhöhen oder zu verringern, wodurch die statische Kraft des Federelements 154 erhöht oder verringert wird. Diese Anpassung ermöglicht die manuelle oder aktive Einstellung der statischen Kraft, die basierend auf der Last 32 aufgebracht werden muss, ohne eine Rekonfiguration des nachgiebigen Gelenkmechanismus 160 während des Betriebs zu erfordern. as spring element 156 can be adjustable with the top plate 132 get connected. A position of the spring element 156 is in some embodiments relative to the top plate 132 adjustable to the tension of the spring element 154 increase or decrease, reducing the static force of the spring element 154 is increased or decreased. This adjustment allows manual or active adjustment of the static force based on the load 32 must be applied without reconfiguration of the flexible hinge mechanism 160 to require during operation.
In 5 wird ein alternativer nachgiebiger Gelenkmechanismus 260 offenbart, der eine ähnliche vertikale Nachgiebigkeit erzeugt, wie oben mit Bezug auf 4A–B beschrieben. Der nachgiebige Gelenkmechanismus 260 kann eine Gestängeanordnung 104 mit einem stationären Element 106 an den gegenüberliegenden zweiten und dritten Verbindungsgliedern 108 und 110 beinhalten, deren Mittelpunkte (m) jeweils an den Gelenken 112 und 114 einstellbar sind. Ein viertes Verbindungsglied 116 ist mit den zweiten und dritten Verbindungsgliedern 108, 110 an den jeweiligen Gelenken 118 und 120 verbunden. Die Verbindungsglieder 108 und 110 sind an dem stationären Element 106 montiert. In einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung ist vorgesehen, dass der nachgiebige Gelenkmechanismus 260 ein Parallelogramm bildet, worin die Verbindungsglieder 108 und 116 die gleiche Länge aufweisen. In 5 becomes an alternative compliant hinge mechanism 260 discloses that produces a similar vertical compliance as described above with reference to FIG 4A -B described. The flexible hinge mechanism 260 can be a linkage arrangement 104 with a stationary element 106 on the opposite second and third links 108 and 110 whose centers (m) each at the joints 112 and 114 are adjustable. A fourth link 116 is with the second and third links 108 . 110 at the respective joints 118 and 120 connected. The connecting links 108 and 110 are on the stationary element 106 assembled. In one embodiment of the disclosure, it is contemplated that the compliant hinge mechanism 260 forms a parallelogram, wherein the connecting links 108 and 116 have the same length.
In der Darstellung in 5 beinhaltet das Parallelogramm-Gestänge des nachgiebigen Gelenkmechanismus 260 ein Federelement 122 mit einer veränderlichen Länge (s) und einer Steifigkeit (k), das einstellbar zwischen den ersten und zweiten Verbindungsgliedern 106 und 108 befestigt ist. Die Position (x, h) eines Aufhängungspunkts des Federelements 122 an dem feststehenden Element 106 kann entweder manuell oder aktiv verstellbar sein, um unterschiedliche Kraftbelastungen bereitzustellen. Das Federelement 122 erzeugt eine statische Kraft zur Rückführung der Verbindungsglieder 108, 110 und 116 mittels Schwerkraft (g) auf eine stabile Gleichgewichtsposition in der Mitte der Reichweite des Nachgiebigkeitsmechanismus 260. Demnach kann ein Endeffektor 13 wie in 1 mit dem Verbindungsglied 116 gekoppelt und durch einen Winkel (θ) bewegt werden, im Verhältnis zur eigentlichen Vertikalen, wodurch ein vertikaler DOF für Last 32 der 1 geschaffen wird. In the illustration in 5 includes the parallelogram linkage of the compliant hinge mechanism 260 a spring element 122 variable length (s) and rigidity (k) adjustable between the first and second links 106 and 108 is attached. The position (x, h) of a suspension point of the spring element 122 on the stationary element 106 can be either manually or actively adjustable to provide different power loads. The spring element 122 creates a static force to return the links 108 . 110 and 116 by gravity (g) to a stable equilibrium position in the middle of the range of the compliance mechanism 260 , Thus, an end effector 13 as in 1 with the connecting link 116 coupled and moved by an angle (θ), in relation to the actual vertical, creating a vertical DOF for load 32 of the 1 is created.
Das Federelement 122 kann als beliebiger, zum Ansetzen einer konstanten Kraft konfigurierter Lastausgleicher implementiert werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Federelement 122 eine Schraubenfeder oder ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder sein, montiert zwischen dem stationären Element 106 und einem sich bewegenden Verbindungsglied, z. B. den Verbindungsgliedern 108, 110 oder 116. The spring element 122 can be implemented as any load balancer configured to apply a constant force. In various embodiments, the spring element 122 a coil spring or a pneumatic or hydraulic cylinder, mounted between the stationary element 106 and a moving link, e.g. B. the links 108 . 110 or 116 ,
6 und 8 zeigen zwei Ausführungsbeispiele für die Implementierung zweier horizontaler DOF und eines vertikalen DOF innerhalb des Systems 11 der 1. In 6 erfüllt ein nachgiebiger Gelenkmechanismus 360 diese 3-DOF-Nachgiebigkeit in einer Baugruppe, was bei bestimmten Anwendungen wünschenswert sein kann, z. B. bei denen die statische Last 32 relativ leicht ist. Der nachgiebige Gelenkmechanismus 360, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur einen passiven DOF bietet, beinhaltet einen Rahmen 162, der mehrere Parallelogrammanordnungen 164X, 164Y und 164Z aufnimmt und trägt. Die Parallelogramme 164X, 164Y und 164Z sind konfiguriert, um das Versetzen des Endeffektors 13 der 1 jeweils entlang der X, Y, und Z Achse zu ermöglichen. Optionale Gegengewichte 169 können nach Bedarf verwendet werden, um das Gewicht eines entsprechenden Gestänges zu verteilen und auszugleichen. Die Verriegelungen 182 können an jedem der Parallelogramme 164X, 164Y, und 164Z zur selektiven Verriegelung der Bewegung der Parallelogramme 164X, 164Y, und 164Z entlang einer gegebenen Achse im Bedarfsfall angebracht werden. Solche Verriegelungsvorrichtungen 182 können mit jedem der Gelenke der dargestellten Ausführungsformen angewendet werden. 6 and 8th show two embodiments for the implementation of two horizontal DOF and one vertical DOF within the system 11 of the 1 , In 6 fulfills a yielding joint mechanism 360 this 3-DOF compliance in an assembly, which may be desirable in certain applications, e.g. B. in which the static load 32 is relatively easy. The flexible hinge mechanism 360 , which provides only a passive DOF in the illustrated embodiment, includes a frame 162 , the multiple parallelogram arrangements 164x . 164Y and 164Z absorbs and carries. The parallelograms 164x . 164Y and 164Z are configured to move the end effector 13 of the 1 each along the X, Y, and Z axis to allow. Optional counterweights 169 can be used as needed to distribute and balance the weight of a corresponding linkage. The locks 182 can at each of the parallelograms 164x . 164Y , and 164Z for selectively locking the movement of the parallelograms 164x . 164Y , and 164Z if necessary, be placed along a given axis. Such locking devices 182 can be used with any of the joints of the illustrated embodiments.
In einer Ausführungsform beinhaltet jedes der Parallelogramme 164X, 164Y und 164Z Parallelogrammanordnungen 174, von denen jede drehbar mit dem Rahmen 162 verbunden ist, z. B. über Drehgelenke, wie dargestellt. Ein erstes Gestänge 176 einer derartigen Anordnung 174 ist am Rahmen 162 befestigt oder gesichert, und ein gegenüberliegender zweiter Abschnitt 178 von gleicher Länge wie der erste Abschnitt 176 ist einstellbar mit einer schwenkbaren Verbindungsgliedanordnung 170 verbunden, wie dargestellt. In one embodiment, each of the parallelograms includes 164x . 164Y and 164Z parallelogram 174 each of which rotates with the frame 162 is connected, for. B. over swivel joints, as shown. A first linkage 176 such an arrangement 174 is at the frame 162 attached or secured, and an opposite second section 178 of the same length as the first section 176 is adjustable with a pivotable linkage assembly 170 connected, as shown.
Im Betrieb ist ein Verbindungselement/Schlitten 179 einstellbar mit dem Endeffektor 13 verbunden, wobei der Schlitten 179 eine zu dem oben beschriebenen Schlitten 92 analoge Funktion hat. Ein Verbindungsglied 170A ist mit einem Drehgelenk 180 versehen. Ein Verbindungsglied 170B ist ebenfalls einstellbar mit dem Drehgelenk 180 und der Gestängeanordnung 174 an entgegengesetzten Enden verbunden. Eine Drehbewegung der Gestängeanordnungen 174 als Reaktion auf eine Eingabekraft von einem Betreiber wird somit durch die schwenkbare Verbindungsgliedanordnung 170 mit den Verbindungsgliedern 170A, 170B versetzt, um eine im Wesentlichen lineare Bewegungsrichtung des Schlittens 179 zu erzeugen und, wenn angeschlossen, eines an einem Ende 172 des Verbindungselementes 179 angeordneten Endeffektors 13. Die Gestängeanordnung 174 kann ein fest mit dem ersten Gestänge 176 oder einem anderen Abschnitt der Gestängeanordnung 174 und der schwenkbaren Verbindungsgliedanordnung 170 verbundenes Federelement 122 beinhalten. Wie oben beschrieben kann ein derartiges Federelement 122 mit der Gelenkbewegung der Gestängeanordnung 174 und der schwenkbaren Verbindungsgliedanordnung 170 zusammenwirken, um eine mechanische Rückstellkraft entlang der vertikalen/Z-Achse zu erzeugen, mit einer stabilen Gleichgewichtsposition in einer Mitte der Reichweite des nachgiebigen Gelenkmechanismus 360, und mit Verringerung der Haftreibung, um sicherzustellen, dass dieses Gleichgewicht entlang der Z-Achse erhalten bleibt. In operation is a connecting element / carriage 179 adjustable with the end effector 13 connected, with the carriage 179 one to the carriage described above 92 has analog function. A connecting link 170A is with a swivel 180 Mistake. A connecting link 170B is also adjustable with the swivel joint 180 and the linkage arrangement 174 connected at opposite ends. A rotational movement of the linkage arrangements 174 in response to an input force from an operator is thus transmitted through the pivotable linkage assembly 170 with the links 170A . 170B offset to a substantially linear direction of movement of the carriage 179 to generate and, if connected, one at one end 172 of the connecting element 179 arranged end effector 13 , The linkage arrangement 174 can be a solid with the first linkage 176 or another section of the linkage arrangement 174 and the pivotable linkage assembly 170 connected spring element 122 include. As described above, such a spring element 122 with the joint movement of the linkage arrangement 174 and the pivotable linkage assembly 170 cooperate to produce a mechanical restoring force along the vertical / Z axis, with a stable equilibrium position in the center of the reach of the compliant hinge mechanism 360 , and with reduction of static friction, to ensure that this balance is maintained along the Z axis.
8 zeigt einen exemplarischen, nachgiebigen Gelenkmechanismus 460, der den nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 von 2 beinhaltet sowie einen zusätzlichen Nachgiebigkeitsmechanismus, in diesem Fall ein gekoppeltes Paar von nachgiebigen Gelenkmechanismen 260 von 5, wodurch passive Nachgiebigkeit entlang jeder der X, Y, und Z Achsen bereitgestellt wird. 2 und eine zusätzliche Nachgiebigkeitsmechanismus, in diesem Fall eine gekoppelten Paar der nachgiebige Gelenkmechanismus Mechanismen 260 der 5, wodurch passive Nachgiebigkeit entlang jeder der X, Y, und Z Achsen. Andere Ausführungsformen können vorgesehen sein, abhängig von der durchzuführenden Arbeitsaufgabe, beispielsweise das Positionieren des nachgiebige Gelenkmechanismus 160 der 4A und 4B oberhalb oder unterhalb des nachgiebigen Gelenkmechanismus 16, oder die Verwendung nur des oberen Nachgiebigkeitsmechanismus 36 der 2, um nur eine horizontale DOF zu erzeugen. 8th shows an exemplary compliant hinge mechanism 460 that the resilient hinge mechanism 16 from 2 and an additional compliance mechanism, in this case a coupled pair of compliant hinge mechanisms 260 from 5 , which provides passive compliance along each of the X, Y, and Z axes. 2 and an additional compliance mechanism, in this case a coupled pair of compliant joint mechanism mechanisms 260 of the 5 , resulting in passive compliance along each of the X, Y, and Z axes. Other embodiments may be provided, depending on the work task to be performed, for example, the positioning of the compliant hinge mechanism 160 of the 4A and 4B above or below the flexible hinge mechanism 16 , or the use of only the upper compliance mechanism 36 of the 2 to produce only one horizontal DOF.
Die nachgiebigen Gelenkmechanismen 260 können mit dem stationären Element 160 gekoppelt sein, wie oben mit Bezug auf 5 angegeben. Die gegenseitige Verbindung von Elementen 99 in Form von Kreuzstücken oder Verbindungsgliedern können verwendet werden, um die die nachgiebige Gelenkmechanismen 260 aneinander zu koppeln, wobei der nachgiebige Gelenkmechanismus 16 zwischen den nachgiebigen Gelenkmechanismen 260, wie gezeigt, aufgehängt wird. Obwohl in 8 zur Vereinfachung nicht dargestellt, kann ein Endeffektor 13 wie ein Greifer mit mehreren Fingern oder Saugnäpfen an den nachgiebigen Gelenkmechanismus 16 gekoppelt werden, wobei die nachgiebigen Gelenkmechanismen 16 und 260 in Reihe angeordnet sind, um 3-DOF-Nachgiebigkeit zu schaffen, das heißt, eine translative DOF in einer vertikalen Richtung über die beiden miteinander verbundenen nachgiebigen Gelenkmechanismen 260 und ein Paar orthogonal angeordnete horizontale DOF, erzeugt vom nachgiebigen Gelenkmechanismus 16. Die serielle Konfiguration der 8 kann auch zugutekommt des hinzugefügten Stützstruktur für schwerer statischen Belastungen 32. The flexible joint mechanisms 260 can with the stationary element 160 coupled as above with respect to 5 specified. The interconnection of elements 99 in the form of crosspieces or links can be used to the the yielding joint mechanisms 260 Couple together, with the yielding joint mechanism 16 between the yielding joint mechanisms 260 , as shown, is hung. Although in 8th not shown for simplicity, may be an end effector 13 like a gripper with multiple fingers or suckers on the resilient hinge mechanism 16 be coupled, with the yielding joint mechanisms 16 and 260 are arranged in series to provide 3-DOF compliance, that is, a translational DOF in a vertical direction across the two interconnected compliant hinge mechanisms 260 and a pair of orthogonal horizontal DOFs produced by the compliant hinge mechanism 16 , The serial configuration of the 8th can also benefit the added support structure for heavy static loads 32 ,
In Anbetracht dieser Offenbarung wird ein versierter Fachmann leicht erkennen, dass verschiedene Ausführungsformen zum Bereitstellen nachgiebiger linearer Freiheitsgrade möglich sind, zur Verwendung in Mensch-Maschine- oder Maschine-Maschine-Wechselwirkungen. Zu den weiteren Vorteilen gehören die niedrige Haftreibung gegenüber konventionellen linearen Gleitsystemen sowie Kompaktheit im Vergleich zu konventionellen Parallelogramm-Konstruktionen. Die offenbarten Ausführungsformen bieten eine Selbstzentrierung des Endeffektors 13 in beliebiger erwünschter Konfiguration, ohne Federn in der horizontalen/X-Ebene zu verwenden. In view of this disclosure, one skilled in the art will readily recognize that various embodiments are possible for providing compliant linear degrees of freedom for use in human-machine or machine-machine interactions. Other advantages include low stiction over conventional linear sliding systems and compactness compared to conventional parallelogram constructions. The disclosed embodiments provide self-centering of the end effector 13 in any desired configuration without using springs in the horizontal / X plane.
Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, der Umfang der Offenbarung wird jedoch einzig und allein durch die Patentansprüche definiert. Während einige der besten Arten und Weisen und weitere Ausführungsformen der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen zur Umsetzung der in den beigefügten Ansprüchen definierten Offenbarung. The detailed description and drawings or figures are supportive and descriptive of the disclosure, but the scope of the disclosure is defined solely by the claims. While some of the best modes and further embodiments of the claimed disclosure have been described in detail, there are several alternative embodiments and embodiments for implementing the disclosure defined in the appended claims.
