DE102017220996A1

DE102017220996A1 - Exoskelett

Info

Publication number: DE102017220996A1
Application number: DE102017220996.8A
Authority: DE
Inventors: Neal Yi-Sheng Lii; Georg Stillfried; Zhaopeng Chen; Maxime Chalon; Benedikt Pleintinger; Annika Maier
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-05-23

Abstract

Exoskelett zur Erfassung einer Bewegung/Kraft einer Hand bzw. Übertragung einer Bewegung/Kraft auf eine Hand mit einer Basis, wobei die Basis bei Verbinden mit der Hand der Handinnenfläche gegenüberliegend angeordnet ist. Dabei ist mit der Basis mindestens ein Manipulator verbunden, wobei mit dem der Basis abgewandten Ende des Manipulators ein Finger der Hand verbindbar ist, so dass eine Bewegung/Kraft des Fingers durch den Manipulator erfassbar ist und/oder eine Bewegung/Kraft vom Manipulator auf den jeweiligen Finger übertragbar ist. Weiter ist mindestens ein Manipulator mit der Handfläche verbindbar, so dass eine Bewegung/Kraft der Handfläche relativ zu den Fingern der Hand erfassbar ist und/oder durch den Manipulator eine Bewegung/Kraft auf die Handfläche übertragbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Exoskelett zur Erfassung einer Bewegung oder Kraft einer Hand bzw. zur Übertragung einer Bewegung oder Kraft auf eine Hand eines Verwenders.
Bekannte Exoskelette finden beispielsweise Verwendung in einem Mensch-Maschine-Interface, wobei die Bewegungen der Finger durch das Exoskelett erfasst werden und auf die Bewegungen einer Maschine übertragen werden. Weiterhin werden bekannte Exoskelette bei der Steuerung einer virtuellen Realität verwendet, so dass durch die erfassten Bewegungen der Finger des Verwenders Objekte in der virtuellen Realität manipuliert werden können bspw. durch Steuerung eines Avatars.
Bekannte Exoskelette bieten jedoch darüber hinaus auch die Möglichkeit, Kräfte bzw. Bewegungen auf die Finger aufzubringen, entweder als Informationsrückgabe (Force Feedback), so dass beispielsweise bei Greifen eines Objekts in der virtuellen Realität eine Krafteinwirkung auf die Finger des Verwenders erfolgt, so dass der Verwender Kenntnis erlangt, dass das Objekt in der virtuellen Realität zuverlässig gegriffen wurde. Kraft- und Bewegungsübertragungen des Exoskeletts auf die Hand der Verwender können jedoch auch in therapeutischen Maßnahmen zu Rehabilitationszwecken verwendet werden, um eine Bewegung einer bewegungseingeschränkten Hand des Verwenders zu unterstützen.
Hierbei existieren zwei Varianten bekannter Exoskelette. Eine erste Variante ist verbunden mit der Handrückseite des Verwenders und erstreckt sich entlang der Finger. Hierbei ist die Handinnenfläche frei, so dass beispielsweise im Rahmen eines Mensch-Maschinen-Interfaces Objekte real gegriffen werden können und diese Bewegung auf die Maschine übertragen werden kann, so dass sich eine natürliche Handbewegung ergibt. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass das Exoskelett den Bewegungen der jeweiligen Finger exakt folgen muss, was mechanische Schwierigkeiten bei der Konstruktion des Exoskeletts mit sich führt. Weiterhin ist bei dieser Variante nachteilig, dass eine relativ enge Verbindung zwischen Hand und Exoskelett erforderlich ist, so dass ein Wechsel des Verwenders stets mit einem erhöhten Aufwand einhergeht, die Kopplung zwischen Exoskelett und Verwender aufzulösen und eine neue Kopplung mit einem weiteren Verwender herzustellen. In einer zweiten Variante ist das Exoskelett der Handfläche gegenüber angeordnet, wobei im Wesentlichen ausschließlich die Fingerspitzen des Verwenders mit dem Exoskelett gekoppelt werden. Hierbei ist der Kopplungsaufwand reduziert, da die Kopplung lediglich an jeweils einem Punkt zwischen Finger des Verwenders und Exoskelett erfolgt. Somit ist ein schneller Wechsel des Verwenders gewährleistet. Dabei findet eine sogenannte kartesische Erfassung der Fingerbewegung statt, wobei ausschließlich aufgrund der Position des letzten Fingerglieds auf die Stellung des jeweiligen Fingers geschlossen wird. Dies führt zu einer relativ ungenauen Erfassung der Position der Finger, da insbesondere auch nicht die Position und Stellung der Handfläche erfassbar sind.
In allen Varianten von bekannten Exoskeletten ergibt sich stets das Problem, dass das jeweilige Exoskelett an die Hand des Verwenders, also die Physiognomie der Hand angepasst sein muss. Bei einem neuen Verwender muss demnach ein neues Exoskelett bereitgestellt werden oder geringfügige Fehlanpassungen hingenommen werden. Dies führt jedoch zu einer abweichenden Positionserfassung bei unzureichender Anpassung des Exoskeletts an den jeweiligen Verwender.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Exoskelett zu schaffen, welches präzise die Bewegung der Hand erfasst.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Exoskelett gemäß 1 sowie einen erfindungsgemäßen Roboterarm gemäß Anspruch 15.
Das erfindungsgemäße Exoskelett zur Erfassung einer Bewegung bzw. Kraft einer Hand und/oder zur Übertragung einer Bewegung bzw. Kraft auf eine Hand weist eine Basis auf, wobei die Basis bei Verbinden mit der Hand insbesondere der Handinnenfläche gegenüberliegend angeordnet ist. Dabei ist mit der Basis mindestens ein Manipulator verbunden, wobei mit dem der Basis abgewandten Ende des Manipulators ein Finger der Hand des Verwenders verbindbar ist, so dass eine Bewegung/Kraft des Fingers durch den Manipulator erfassbar ist bzw. vom Manipulator eine Bewegung/Kraft auf den Finger des Verwenders übertragen werden kann. Hierdurch ist es möglich, die Position des mit dem Manipulator verbundenen Fingers der Hand des Verwenders zu erfassen. Insbesondere wird die Fingerspitze mit dem der Basis abgewandten Ende des Manipulators verbunden, so dass die Position der jeweiligen Fingerspitze im Raum erfassbar ist. Es erfolgt somit eine kartesische Positionsbestimmung der Fingerspitze des Verwenders. Da lediglich ein Berührungspunkt zwischen dem jeweiligen Finger und dem entsprechenden Manipulator vorliegt, ist eine schnelle Kopplung zwischen dem Verwender und dem Exoskelett möglich.
Erfindungsgemäß weist das Exoskelett mindestens einen Manipulator auf, der mit der Handfläche des Verwenders verbindbar ist, so dass eine Bewegung/Kraft der Handfläche relativ zu den Fingern der Hand erfassbar ist und/oder durch den Manipulator eine Bewegung/Kraft auf die Handfläche übertragbar ist. Aufgrund dieses zusätzlichen Manipulators ist insbesondere die Position der Handfläche relativ zu den Fingern erfassbar, wodurch sich eine höhere Genauigkeit bei der Ermittlung der Position der Hand ergibt. Somit ist eine zuverlässige Positionsbestimmung der Hand möglich, beispielsweise bei der Verwendung des Exoskeletts als Mensch-Maschinen-Interface oder Eingabegerät bei der Steuerung einer virtuellen Realität. Insbesondere auf Grund der bekannten Kinematik der menschlichen Hand ist es möglich, aus der Kenntnis der Position der Fingerspitze und der Position der Handfläche eine vollständige Fingerhaltung zu ermitteln. Werden Bewegungen/Kräfte von den jeweiligen Manipulatoren auf den Finger bzw. die Handfläche übertragen, ist es möglich, die Bewegung einer bewegungseingeschränkten Hand, beispielsweise in einer Rehabilitationsmaßnahme, zu unterstützen. Dabei wird nicht nur die Bewegung des mit dem Manipulator verbundenen Fingers unterstützt, sondern auch die Bewegung der Handfläche selbst. Aufgrund des zusätzlichen Manipulators, der mit der Handfläche verbindbar ist, wird somit eine Zusatzinformation generiert, die einerseits Verwendung finden kann bei der Bestimmung der Handhaltung, wobei Bewegungen/Kräfte des Fingers und Bewegungen/Kräfte der Handfläche durch das Exoskelett erfasst werden können. Auch im Rahmen einer Kraftrückgabe (Force Feedback) ist es möglich, Bewegungen/Kräfte aufgrund des mit der Handfläche verbindbaren Manipulators an die Handfläche zurückzugeben und somit dem Verwender beispielsweise bei Steuerungsaufgaben zusätzliche Informationen zur Verfügung zu stellen oder den Verwender in seinen Bewegungen zu unterstützen.
Vorzugsweise sind alle vorgesehenen Manipulatoren gleich ausgebildet. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau und insbesondere die Auslegung des Exoskeletts.
Vorzugsweise ist mehr als ein Manipulator vorgesehen zur Verbindung mit der Handfläche. Hierdurch kann insbesondere bei vorsehen identischer Manipulatoren eine ausreichende gemeinsame Stabilität der Manipulatoren, welche mit der Handfläche verbunden sind, gewährleistet werden. Alle Manipulatoren welche gemeinsam mit der Handfläche verbunden sind bewegen sich dabei insbesondere synchron, erfassen somit insbesondere dieselbe Bewegung und/oder übertragen dieselbe Kraft/Bewegung auf die Handfläche.
Vorzugsweise weist mindestens ein Manipulator und insbesondere alle Manipulatoren ein Vibrationselement auf ausgebildet beispielsweise als Piezo-Element oder Elektromotor zur Erzeugung einer Vibration als taktile Informationsrückgabe an den Verwender. So kann beispielsweise eine Vibration erzeugt werden in einem Manipulator bei Überlast der gesteuerten Maschine im Rahmen des Mensch-Maschine-Interfaces.
Vorzugsweise ist für mehr als einen Finger jeweils ein Manipulator vorgesehen, und insbesondere ist für jeden Finger der Hand jeweils ein Manipulator vorgesehen. So kann für jeden Finger der Hand des Verwenders ein Manipulator vorgesehen werden, so dass die Bewegungen/Kräfte jedes Fingers der Hand des Verwenders erfassbar sind bzw. Bewegungen/Kräfte auf jeden der Finger übertragen werden können.
Vorzugsweise sind unbenutzte Manipulatoren blockierbar. Beispielsweise bei der Verwendung als Mensch-Maschinen-Interface kann es vorkommen, dass den Bewegungen einzelner Finger keine Funktion an der Maschine zugeordnet ist, so dass die entsprechenden Finger durch ein Blockieren des jeweiligen Manipulators in ihrer Bewegung blockiert werden können und somit einer ungewollten Bewegung entgegengewirkt werden kann.
Vorzugsweise ist mehr als ein Manipulator vorgesehen, der mit der Handfläche verbindbar ist. So kann beispielsweise bei Vorsehen von zwei Manipulatoren eine Bewegung wie beispielsweise eine Neigung der Handfläche erkannt werden. Hierdurch können weitere Informationen bezüglich der Position der Hand erfasst werden.
Vorzugsweise ist ein Manipulator mit dem Unterarm verbindbar zur Erfassung einer Bewegung/Kraft des Unterarms relativ zur Hand und/oder zur Übertragung einer Bewegung/Kraft auf den Unterarm. Somit erfasst das Exoskelett nicht nur die Bewegung der Finger und Handfläche, sondern ermittelt auch die Position der Hand relativ zum Unterarm des Verwenders.
Vorzugsweise ist das Exoskelett am Unterarm fixierbar. Durch das Fixieren des Exoskeletts am Unterarm des Verwenders ist eine einfache Verbindung zwischen Exoskelett und Verwender möglich. Gleichzeitig wird so eine definierte Position des Exoskeletts relativ zum Verwender geschaffen. Aus der ermittelten Position der Handfläche ist es dann auf einfache Weise möglich auch die Haltung der Hand relativ zum Unterarm zu ermitteln.
Vorzugsweise weist der Manipulator einen Positionssensor zur Messung der Position des Manipulators auf. Insbesondere kann der Manipulator eine Vielzahl von Positionssensoren aufweisen zur Ermittlung der Position der einzelnen Segmente des Manipulators. Alternativ oder zusätzlich hierzu weist der Manipulator einen Kraftsensor auf zur Ermittlung der anliegenden Kraft. Bevorzugt weist der Manipulator jedoch eine Vielzahl von Kraftsensoren auf zur Ermittlung der an die einzelnen Segmente des Manipulators anliegenden Kräfte. Alternativ oder zusätzlich hierzu weist der Manipulator einen Drehmomentsensor auf zur Ermittlung des an den Manipulator anliegenden Drehmoments. Bevorzugt ist es hierbei, dass der Manipulator eine Vielzahl von Drehmomentsensoren aufweist zur Ermittlung der jeweils an die einzelnen Segmente anliegenden Drehmomente. Insbesondere weist jeder der vorgesehen Manipulatoren einen oder mehr Positionssensoren und/oder einen oder mehr Kraftsensoren und/oder einen oder mehr Drehmomentsensoren auf. Durch Vorsehen der Sensoren ist eine vollständige Erfassung der Bewegung der Hand und insbesondere der Finger möglich, so dass die so erfasste Position beispielsweise in einem Mensch-Maschinen-Interface oder bei der Steuerung einer Virtual Reality verwendet werden kann.
Vorzugsweise ist mindestens ein Manipulator aktuiert und besonders bevorzugt ist jeder der vorgesehenen Manipulatoren aktuiert. Dabei können die Manipulatoren insbesondere elektrisch, pneumatisch und/oder hydraulisch aktuiert sein, so dass von dem mindestens einen Manipulator eine Kraft an den mit dem jeweiligen Manipulator verbundenen Finger abgegeben werden kann. Die dabei zurückgegebene Kraft kann beispielsweise als Information (Force Feedback) zurückgeben werden oder die Bewegungen des Verwenders unterstützen.
Vorzugsweise erfolgt eine Reibungskompensation. Reibung innerhalb des Exoskeletts kann erfasst werden als Kraft-Offset. Wird eine Kraft an das Exoskelett angelegt, die gerade keine Bewegung erzeugt, so entspricht diese Kraft der Reibung, die überwunden werden muss, um das Exoskelett zu bewegen. Reibungskompensation umfasst somit insbesondere einen Kraftsensor zur Erfassung einer aufgebrachten Kraft, einen Positionssensor zur Erfassung einer Positionsänderung, wobei die Kraft, die gerade nicht zu einer Positionsänderung führt als Reibung angesehen wird. Diese Reibung kann kompensiert werden durch die Aktuierung des jeweiligen Manipulators.
Vorzugsweise ist das Exoskelett ausgebildet eine vorgegebenen Pose zu halten, so dass eine Änderung der Pose des Exoskeletts durch den Verwender nicht mehr möglich ist.
Vorzugweise ist eine magnetische Kopplung vorgesehen zur Verbindung zwischen Manipulator und Finger und insbesondere zur Verbindung zwischen Manipulator und Fingerspitze. Insbesondere weist die magnetische Kopplung einen ersten Magneten auf, der mit dem jeweiligen Finger bzw. Handfläche des Verwenders verbindbar ist und einen zweiten Magneten, der am Manipulator angeordnet ist, so dass durch in Kontakt bringen des ersten Magneten mit dem zweiten Magneten die Hand mit dem Exoskelett gekoppelt wird. Alternativ hierzu weist die magnetische Kopplung lediglich einen Magneten auf der mit dem Manipulator oder dem Finger bzw. der Handfläche verbunden ist. Das jeweils komplementäre Element weist lediglich ein magnetisierbares Element auf, welches durch den einen Magneten magnetisch angezogen wird. Insbesondere erfolgt dabei die Kopplung formschlüssig. Durch die magnetische Kopplung ist eine einfache Verbindung zwischen Finger und Manipulator gewährleistet. Insbesondere bei Überschreiten einer Kraft löst sich diese Kopplung, sofern die Kraft zwischen Manipulator und Finger die Magnetkraft der magnetischen Kopplung übersteigt. Hierdurch ist eine Sicherheit gegeben, dass keine zu hohen Kräfte durch die Manipulatoren auf die Finger übertragen werden, was zu einer Verletzung der Finger bzw. Hand des Verwenders führen könnte.
Vorzugsweise ist am der Basis abgewandten Ende des Manipulators ein Kugelgelenk vorgesehen zur Verbindung des jeweiligen Fingers mit dem entsprechenden Manipulator. Insbesondere ist das Kugelgelenk als Magnetische Kopplung ausgebildet. Hierbei ist ein erstes Kopplungselement ausgebildet als Kugel und ein zweites Kopplungselement ausgebildet als Kugelschale, in der die Kugel des ersten Kopplungselements angeordnet werden kann. Erstes Kopplungselement und/oder zweites Kopplungselement ist dabei magnetisch, so dass erstes Kopplungselement und zweites Kopplungselement auf Grund der wirkenden magnetischen Anziehung zusammengehalten werden. Der Finger des Verwenders ist dabei mit dem ersten Kopplungselement oder dem zweiten Kopplungselement verbunden, wobei Bewegungen des Fingers durch ein Gleiten der Kugel in der Kugelschale ausgeglichen wird.
Vorzugsweise ist die magnetische Kopplung ausgebildet um als Auslöser einer Tot-Mann-Schaltung zu dienen, so dass bei Lösen einer magnetischen Kopplung oder bei Lösen einer vorgegebenen Anzahl an magnetischen Kopplungen einer Notabschaltung erfolgt, um eine Verletzung des Verwenders zu verhindern.
Vorzugsweise ist ein Magnet der magnetischen Kopplung an einem Handschuh angeordnet ist und insbesondere jeweils ein Magnet für jede der vorgesehenen magnetischen Kopplungen. Somit erfolgt die Befestigung der Magnete an der Hand des Verwenders durch einen Handschuh, welcher an den jeweiligen Fingerspitzen und an der Handfläche Magnete aufweist, die magnetisch mit dem Exoskelett gekoppelt werden können. Somit ist es zum Verbinden des Verwenders mit dem Exoskelett lediglich erforderlich den entsprechenden Handschuh anzuziehen und sodann alle Magnete der jeweiligen magnetischen Kopplungen miteinander zu verbinden. Somit ist eine schnelle Kopplung möglich, die auch einen schnellen Wechsel der Verwender gewährleistet.
Vorzugsweise ist ein Kraftsensor am Berührungspunkt zwischen Manipulator und Finger bzw. Handfläche angeordnet zur Erfassung einer vom Finger bzw. der Handfläche auf den Manipulator aufgebrachten Kraft. Insbesondere ist ein Kraftsensor zwischen jeweils jedem Manipulator und Finger angeordnet. Hierdurch kann auf einfache Weise die vom Manipulator auf den Finger bzw. Handfläche übertragene Kraft bzw. die vom Finger bzw. Handfläche auf den Manipulator übertragene Kraft am Berührungspunkt unmittelbar erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu weist der Manipulator einen oder mehrere Kraft-/Drehmomentsensoren auf zur Erfassung der im Manipulator wirkenden Kräfte und Drehmomente. Hierdurch ist eine vollständige Erfassung der durch den jeweiligen Finger und/oder die Handfläche erzeugten Kräfte und Momente möglich.
Vorzugsweise ist am der Basis abgewandten Ende des Manipulators ein Gimbal-System (auch bekannt als kardanische Kopplung) vorgesehen zur Verbindung des Fingers mit dem Manipulator. Hierdurch ist es möglich, eine große Bewegungsfreiheit der Hand relativ zum Exoskelett zu erzeugen, ohne dass beispielsweise die magnetische Kopplung gelöst werden müsste oder eine unzureichende Positionsbestimmung des Fingers auftritt. Das Gimbal-System weist darüber hinaus den Vorteil auf, besonders reibungsarm zu sein und somit eine exakte Kraftmessung durch das Exoskelett zu erlauben, da nur geringe Reibungsverluste an der Kopplung zwischen Manipulator und Finger auftreten. Insbesondere gehen dabei alle Drehachsen des Gimbal-Systems durch einen gemeinsamen Punkt, so dass ein besonders einfacher Aufbau des Gimbal-Systems gewährleistet ist.
Vorzugweise stehen die Drehachsen des Gimbal-Systems in einer Ausgangsstellung senkrecht aufeinander und sind insbesondere derart angeordnet, dass bei keiner Bewegung der Hand eine Drehachse kollinear mit einer weiteren Drehachse des Gimbal-Systems ist. Da die menschliche Hand nur beschränkte Freiheitsgrade bezüglich ihrer Bewegung aufweist, ist es möglich, das Gimbal-System derart auszugestalten, dass eine sogenannte Gimbal-Blockade gerade vermieden wird. Dabei ist bevorzugt die Anordnung der Achsen vom menschlichem Finger oder Daumen aus gesehen so, dass die erste Achse nahezu parallel ist zu Fingerlängsachse (entspricht einer Achse quer zur Beugeachse des Fingerendgelenks). Die von menschlichen Finger aus gesehen dritte Achse bzw. vom Manipulator aus gesehen erste Achse ist bei den langen Fingern quer zur Manipulatorlängsachse, da sich hier menschliche Fingerlängsachse und Manipulatorlängsachse nahezu parallel gegenüberstehen können. Beim Daumen ist die vom menschlichen Daumen aus gesehen die dritte Achse bzw. vom Manipulator aus gesehen erste Achse parallel zu Längsachse des Manipulators, da ein paralleles Gegenüberstehen der Längsachsen von Daumenendglied und Manipulatorendglied im Hauptarbeitsbereich üblicherweise nicht vorkommt. Bei der Handfläche ist die erste Achse von der Handfläche aus gesehen nahezu senkrecht zur Handfläche und die dritte Achse quer zur Manipulatorachse.
Vorzugsweise ist an mindestens einem Rotationspunkt und bevorzugt an allen Rotationspunkten des Gimbal-Systems ein Positionssensor angeordnet. Dabei handelt es sich bei den Rotationspunkten um Berührungspunkte eines beweglichen Elements des Gimbal-Systems mit dem nächsten, wobei durch die Rotationspunkte die Drehachsen des Gimbal-Systems gebildet werden. Durch den Positionssensor kann die Orientierung des Fingers bestimmt werden. Insbesondere bei Vorsehen von Positionssensoren an allen Rotationspunkten ist die Orientierung des jeweiligen Fingers vollständig bestimmbar. Man erhält somit zusätzliche Informationen über die Position der Fingerspitze hinaus auch über die Orientierung des letzten Fingerglieds und damit der Orientierung des gesamten Fingers. Um die Orientierungen aller Fingerglieder zu bestimmen, ist zusätzlich zur Position und Orientierung des letzten Fingerglieds die Position und mindestens ein Winkel der Handfläche sowie ein Modell der menschlichen Gelenkachslagen nötig, wobei die Position der Handfläche bekannt ist, da erfindungsgemäß das Exoskelett mindestens einen Manipulator aufweist, der mit der Handfläche des Verwenders verbindbar ist.
Vorzugsweise weist das Gimbal-System passive oder aktive Elemente auf zur Erzeugung einer Kraft, so dass eine Kraftrückkopplung (force feedback) an den Verwender zurückgegeben werden kann. Bei den aktiven Elementen kann es sich beispielsweise um Aktuatoren handeln, wohingegen es sich bei den passiven Elementen beispielsweise um eine Feder handelt.
Vorzugsweise weist die Basis ein erstes Segment sowie mindestens ein zweites Segment auf. Dabei sind erstes Segment und zweites Segment beweglich miteinander verbunden, so dass die Position des ersten Segments relativ zu dem zweiten Segment verändert werden kann. Weiterhin weisen jeweils das erste Segment und das zweite Segment mindestens einen Manipulator auf, so dass die Lage der Manipulatoren des ersten Segments relativ zur Lage der Manipulatoren des zweiten Segments verändert werden kann. Somit ist eine Geometrieänderung der Basis möglich, wodurch sich die Lage der Manipulatoren am ersten Segment und zweiten Segment relativ zueinander ändert. Hierdurch wird eine Anpassbarkeit des Exoskeletts an unterschiedliche Handgrößen erreicht. Beispielsweise ist es durch eine solche Geometrieänderung der Basis der modularen Roboterhand möglich, die Öffnungsweite der Roboterhand zu verändern, um beispielsweise größere Hände mit dem Exoskelett verbinden zu können. Somit ist es möglich, das Exoskelett an Hände unterschiedlicher Verwender anzupassen, ohne dass eine Neukonstruktion erforderlich wäre.
Vorzugsweise ist die Position des Manipulators veränderbar, so dass der Manipulator in unterschiedlichen Positionen relativ zur Basis verwendet werden kann. Hierdurch wird eine erhöhte Anpassbarkeit an unterschiedliche Verwender und eine Vielzahl von Handformen und -größen gewährleistet. Somit ist es möglich, das Exoskelett für eine Vielzahl von Verwendern vorzusehen, ohne dass beim Wechsel des Verwenders eine Neukonstruktion erforderlich wäre bzw. eine größere Zahl von Exoskeletten für unterschiedliche Verwender vorgehalten werden müsste.
Vorzugsweise weist die Basis mehr als zwei Segmente auf, welche insbesondere zueinander beweglich sind. Dabei weist insbesondere jedes der vorgesehenen Segmente mindestens einen Manipulator auf, so dass durch Bewegung der Segmente die Lage der jeweiligen Manipulatoren geeignet an die jeweilige Handgröße des Verwenders angepasst werden kann.
Vorzugsweise ist die Position von mindestens zwei Segmenten der Basis zueinander veränderbar durch ein Verschieben gegeneinander. Alternativ hierzu erfolgt bei mindestens zwei Segmenten ein Verschwenken der beiden Segmente um eine gemeinsame Drehachse. Insbesondere bei Vorsehen mehrerer Segmente ist jedoch auch eine Kombination aus Verschieben und Verschwenken möglich, um ein möglichst vielseitiges Exoskelett zu schaffen, welches auf einfache Weise an die Hand des jeweiligen Verwenders angepasst werden kann.
Vorzugsweise weist mindestens ein Manipulator eine lineare Beweglichkeit auf zur Veränderung der Position des Manipulators. Somit durch kann durch ein Verschieben des Manipulators eine Positionsänderung verursacht werden zur Anpassung des Exoskeletts an eine neue Hand. Hierbei können beispielsweise reibungsarme Gleitelemente verwendet werden zur linearen Veränderung der Position. Vorzugsweise weist mehr als ein Manipulator eine lineare Beweglichkeit auf.
Vorzugsweise weist mindestens ein Manipulator eine rotatorische Beweglichkeit auf zur Veränderung der Position des Manipulators. Hierdurch ist eine weitere Anpassbarkeit des Exoskeletts gewährleistet. Bevorzugt ist es dabei, dass mehr als ein Manipulator eine rotatorische Beweglichkeit aufweist.
Vorzugsweise ist die Position mindestens eines Manipulators manuell veränderbar. Dabei sind bevorzugt die Positionen aller Manipulatoren manuell veränderbar.
Vorzugsweise ist die Position mindestens eines Segments und insbesondere die Position aller Segmente der Basis zueinander manuell veränderbar.
Vorzugsweise ist die Position mindestens eines Manipulators automatisch veränderbar, und bevorzugt ist dabei die Position aller Manipulatoren automatisch veränderbar. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist die Position mindestens eines Segments und bevorzugt die Positionen aller Segmente der Basis zueinander automatisch veränderbar. Somit ist es auf einfache Weise möglich, das Exoskelett an einen neuen Verwender anzupassen. Dabei erfolgt die Änderung der Geometrie bzw. der Position des Manipulators beispielsweise durch ein Stellglied aufgrund eines Steuerbefehls, der von einer Steuerung des Exoskeletts ausgegeben wird.
Vorzugsweise erfolgt die Veränderung der Position elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch. Selbstverständlich ist auch eine Kombination hiervon möglich, so dass eine Schnellverstellung beispielsweise pneumatisch erfolgt, wohingegen eine Feinverstellung elektrisch oder dergleichen erfolgt.
Vorzugsweise ist die Positionsänderung der Segmente zueinander bzw. der Manipulatoren möglich durch eine Änderung der mit dem Exoskelett verbundenen Handpose, welche insbesondere über den mit der Handfläche verbundenen Manipulator erfasst wird. Somit ist eine Geometrieänderung des Exoskeletts auch im Betrieb möglich zur Anpassung an die zu lösenden Aufgaben.
Vorzugsweise ist das Exoskelett als modulare Roboterhand ausgebildet, welche zur Hand des Verwenders gespiegelt angeordnet ist. Insbesondere ist die modulare Roboterhand ausgebildet gemäß der deutschen Patentanmeldung mit dem Titel „Modularer Endeffektor“ vom selben Anmelder mit demselben Anmeldetag (unser Zeichen: 172072DE MV/js). Dabei sind die Manipulatoren ausgebildet als aktuierte Finger.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Roboterarm mit einem Exoskelett wie vorstehend beschrieben zur Erfassung einer Bewegung/Kraft einer Hand und/oder zur Übertragung einer Bewegung/Kraft auf eine Hand. Dabei kann durch den Roboterarm eine vollständige Bewegungsfreiheit der Hand gewährleistet sein, beispielsweise zur Steuerung einer Maschine im Rahmen eines Mensch/Maschinen-Interfaces oder zur Steuerung eines Avatars in einer virtuellen Realität. Durch den Roboterarm wird insbesondere die Position der Hand erfasst bzw. eine Bewegung/Kraft auf die Hand übertragen. Dabei erlaubt der Roboterarm eine große Bewegungsfreiheit der Hand.
Vorzugsweise weist der Roboterarm mehr als sechs Freiheitsgrade und insbesondere sieben Freiheitsgrade auf, so dass eine möglichst große Bewegungsfreiheit der Hand des Verwenders gewährleistet werden kann. Gleichzeitig ist die Position der Hand durch den Roboterarm stets erfassbar insbesondere bei Bewegungen um jeden der gegebenen Freiheitsgrade. Somit kann eine Bewegung der Hand des Verwenders vollständig in allen Freiheitsgraden erfasst werden. Durch das Exoskelett ist die Stellung der Hand und der jeweiligen Finger erfassbar, so dass eine vollständige Kenntnis über die Pose des Arms des Verwenders bekannt ist und in der angeschlossenen Anwendung verwendet werden kann.
Vorzugsweise erfolgt durch den Roboterarm eine Gravitationskompensation, so dass die Gewichtskraft des Exoskeletts und/oder der Hand des Verwenders durch den Roboterarm gerade ausgeglichen wird. Somit fühlt der Verwender des Exoskeletts nicht die Gewichtskraft des Exoskeletts und muss diese nicht durch Muskelkraft kompensieren. Insbesondere bei Vorsehen aktuierter Manipulatoren kann dadurch bei der Bewegung des Exoskeletts durch die Hand eine nahezu widerstandsfreie Beweglichkeit der Hand in dem Exoskelett erreicht werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Exoskeletts in Verbindung mit einer Hand eines Verwenders,
2 das Exoskelett in der Draufsicht,
3 eine erste Ausführungsform des Gimbal-Systems,
4 eine Ausführungsform einer magnetischen Kopplung zwischen Manipulator und Finger des Verwenders,
5 einen erfindungsgemäßen Roboterarm,
6 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Exoskeletts gekoppelt mit einer Hand eines Verwenders,
7 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboterarms gekoppelt mit einer Hand eines Verwenders,
8 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboterarms gekoppelt mit einer Hand eines Verwenders und
9 eine weitere Ausführungsform des Gimbal-Systems.

Das erfindungsgemäße Exoskelett 10 weist eine Basis 12 auf. Dabei ist die Basis 12 der Innenseite 14 der Handfläche 16 gegenüberliegend angeordnet. Mit der Basis 12 sind Manipulatoren 18 verbunden, wobei die Manipulatoren 18 mit einem jeweiligen Finger 20 des Verwenders verbunden sind. Dabei berührt das der Basis 12 abgewandte Ende 22 des Manipulators 18 die Fingerspitze 24 des Fingers 20. Eine Bewegung des Fingers 20 wird durch den Manipulator 18 erfasst und kann beispielsweise verwendet werden zur Steuerung einer Maschine oder zur Steuerung eines Avatars in einer virtuellen Realität. Dabei erfolgt die Positionserfassung des Fingers 20 kartesisch, wobei in der in 1 gezeigten Ausführungsform lediglich die Position der Fingerspitze 24 erfassbar ist. Für die Übersichtlichkeit wurde in der 1 lediglich der Manipulator für einen Finger dargestellt. Wie jedoch aus der 2 ersichtlich, ist insbesondere für jeden Finger der Hand inklusive dem Daumen des Verwenders mindestens ein Manipulator vorgesehen.
Mit der Basis 12 ist mindestens ein weiterer Manipulator 26 verbunden. Dieser Manipulator 26 ist verbindbar mit der Handfläche 16 der Hand des Verwenders. Eine Bewegung oder Kraft der Handfläche ist somit durch den Manipulator 26 erfassbar und kann beispielsweise zur Steuerung einer Maschine im Rahmen eines Mensch-Maschine-Interfaces genutzt werden oder zur Steuerung einer Hand eines Avatars in einer virtuellen Realität. Dabei werden durch die Erfassung der Bewegung/Kraft und damit der Position der Handfläche zusätzliche Informationen über die Lage der gesamten Hand generiert, welche bei der Steuerung berücksichtigt werden können.
Die Manipulatoren 18, 26 sind als aktuierte Roboterfinger ausgestaltet, so dass durch die Manipulatoren 18, 26 eine Kraft erzeugt werden kann, welche auf die Finger 20 sowie die Handfläche 16 übertragen werden kann. Neben einer Kraft kann auch eine Bewegung erzeugt werden, die entsprechend auf den jeweiligen Finger 20 oder die Handfläche 16 übertragen werden kann. Somit ist es möglich, durch die aktuierten Manipulatoren 18, 26 eine Kraftrückkopplung (Force Feedback) zu erzeugen, wodurch Informationen über die gesteuerte Maschine oder die gesteuerte Hand des Avatars in der virtuellen Realität an den Benutzer zurückübermittelt werden können. So kann beispielsweise bei Schließen der Hand zunächst keine Kraft durch die Manipulatoren 18, 26 erzeugt werden, bis beispielsweise die gesteuerte Maschine in Kontakt mit einem Werkstück gelangt. Sodann kann durch die Manipulatoren 18, 26 eine Kraft erzeugt werden, die eine Weiterbewegung der Hand, insbesondere der Finger 20 und der Handfläche 16 verhindert. Hierdurch erhält der Verwender Informationen bezgl. dem Greifen des Objektes.
Die Basis 12 der gezeigten Ausführungsform des Exoskeletts weist ein erstes Segment 11 und ein zweites Segment 13 auf, welche zueinander entlang des Pfeils 15 relativ zueinander beweglich ist. Dabei ist der mindestens eine Manipulator 18 mit dem ersten Segment 11 und der mindestens eine Manipulator 26 mit dem zweiten Segment 13 verbunden. Hierdurch kann die Geometrie der Basis 12 verändert werden, wodurch sich auch die Lage der Manipulatoren 18, 26 zueinander anpassen lässt. Somit ist es möglich, durch eine solche Geometrieänderung beispielsweise der Basis 12 das Exoskelett an verschiedene Verwender anzupassen. Ein Austausch bzw. Neukonstruktion bei Wechsel des Verwenders ist nicht erforderlich. Im dargestellten Beispiel erfolgt die Anpassung an eine geänderte Handgröße mittels Verschieben der Segmente 11, 13 der Basis 12 zueinander. Alternativ oder zusätzlich hierzu können mehr als zwei Segmente vorgesehen sein und/oder einzelne Segmente rotatorisch zueinander beweglich sein. Alternativ oder zusätzlich zur Geometrieänderung der Basis, kann auch die Position der Manipulatoren an der Basis veränderbar und damit anpassbar sein. So kann beispielsweise die Position des Manipulators 18 (2), welcher mit dem Daumen des Verwenders verbunden wird, veränderbar sein in Abhängigkeit der Handgröße des Verwenders. Dabei kann beispielsweise die Position des Manipulators für den Daumen entlang des Pfeils 19 verändert und damit an den Verwender angepasst werden. Insbesondere können die Positionen aller Manipulatoren 18, 26 anpassbar sein durch eine entsprechende Beweglichkeit relativ zur Basis bzw. relativ zueinander.
Im Nachfolgenden werden gleiche oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
2 zeigt das Exoskelett 10 in Draufsicht, wobei für jeden Finger der Hand des Verwenders ein Manipulator 18 vorgesehen ist inkl. des Daumens. Ein weiterer Manipulator 26 ist vorgesehen zur Erfassung einer Bewegung/Kraft der Handfläche. Dabei kann das Exoskelett 10 beispielsweise am Unterarm fixiert werden. Hierdurch wird eine Orientierung zwischen Exoskelett und Hand des Verwenders festgelegt, so dass eine Bewegung der Hand relativ zum Unterarm durch den zusätzlichen Manipulator 26 erfassbar ist.
Insbesondere kann das Exoskelett ausgebildet sein als modulare Roboterhand wie in der deutschen Patentanmeldung mit dem Titel „Modulare Endeffektor" vom selben Anmelder mit demselben Anmeldetag (unser Zeichen: 172072DE MV/js) beschrieben. Hierbei handelt es sich insbesondere bei den Manipulatoren um aktuierte Finger. Dabei ist insbesondere die Position der Manipulatoren 18, 26 veränderbar oder es kann eine Geometrieänderung der Basis 12 erfolgen, um das Exoskelett 10 an unterschiedliche Verwender und insbesondere an unterschiedliche Handformen und -größen anzupassen. Es ist somit lediglich erforderlich, ein Exoskelett vorzusehen. Eine Neukonstruktion für verschiedene Verwender oder das Vorhalten einer Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter Exoskelette entfällt hierdurch, wodurch die Kosten des Systems reduziert werden können.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Exoskeletts, wobei ebenfalls die Hand 43 des Verwenders dargestellt ist im zumindest teilweise gekoppelten Zustand. Hierzu weist die Hand des Verwenders einen Handschuh auf, der Magnetelemente aufweist, die mit Magnetelementen oder magnetisierbaren Elementen des Exoskeletts verbunden werden zur Kopplung. Somit lassen sich auf einfache Weise die einzelnen Finger des Verwenders mit dem Exoskeletts koppeln. Hierzu ist es für den Verwender lediglich erforderlich, sich den Handschuh anzuziehen. Eine aufwendige Befestigung der Kopplungselemente an den Fingern des Verwenders entfällt somit.
Vorzugsweise erfolgt die Kopplung zwischen Finger 20 und Manipulator 18 über ein Gimbal-System 28, welches auch als kardanische Kopplung bekannt ist. Diese ist in 3 als Ausschnitt gezeigt, wobei das Gimbal-System 28 drei Drehachsen 30 aufweist. Insbesondere ist eine Drehung des Fingers in der dargestellten Hülse um die z-Achse möglich. Hierdurch wird eine große Bewegungsfreiheit des Fingers relativ zum Manipulator 18 gewährleistet. Dabei sind insbesondere in den Rotationspunkten 32 Positionssensoren vorgesehen, die die Orientierung des Fingers relativ zum Manipulator erfassen. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, die Orientierung des Fingers zu erfassen, um weitere Informationen über die Position der Hand, welche über die bloße Position der Fingerspitzen hinausgeht, zu erhalten.
Vorzugsweise erfolgt die Kopplung zwischen Finger und Gimbal-System 28 magnetisch (4), wobei ein erster Magnet 31 mit dem Finger 20 und eine Magnetaufnahme 33 mit dem Gimbal-System 28 verbunden ist. Dabei ist die Bewegung des Kopplungsmagneten 31 und der Magnetaufnahme 33 relativ zueinander fixiert beispielsweise durch einen Formschluss, so dass jegliche Bewegung des Fingers 20 relativ zum Manipulator 18 über das Gimbal-System 28 ausgeglichen wird und somit durch die Positionssensoren 32 erfassbar ist. Gleichzeitig wird durch die magnetische Kopplung 29 sichergestellt, dass keine zu großen Kräfte auf den Finger 20 bzw. auf den Manipulator 18 übertragen werden, da sich die magnetische Kopplung 29 löst, sofern die auftretenden Kräfte die Magnetkräfte überschreiten.
9 zeigt eine alternative Ausführungsform des Gimbal-Systems mit den Drehachsen 30 erzeugt durch die Rotationsgelenke 35 zur Verbindung mit einem Finger eines Verwenders.
5 zeigt einen erfindungsgemäßen Roboterarm 41 mit einem Exoskelett 50 wie vorstehend beschrieben, wobei für jeden Finger 20 der Hand des Verwenders jeweils ein Manipulator 18 vorgesehen ist. Dabei weist der Roboterarm 41 eine Roboterbasis 52 auf sowie eine Vielzahl von Drehgelenken 54, so dass ein Roboterarm mit sieben Freiheitsgraden geschaffen wird. Durch den Roboterarm 41 ist es möglich, eine Gravitationskompensation des Exoskeletts 50 zu erzeugen, so dass die Gewichtskraft des Exoskeletts 50 sowie des Roboterarms 41 nicht vom Verwender getragen werden muss. Ebenso kann auch die Gewichtskraft der Hand selber durch die implementierte Gravitationskompensation kompensiert werden.
Der Roboterarm 41 kann dabei Teil eines Mensch-Maschinen-Interfaces sein, wobei die Bewegung der Hand, welche durch das Exoskelett sowie die Bewegung des Roboterarms 41 erfasst wird, auf eine Maschine übertragen wird. Alternativ hierzu handelt es sich bei dem Roboterarm um ein Teil eines Eingabesystems für eine Virtual Reality, so dass über den Roboterarm Handbewegungen eines Avatars in der Virtual Reality gesteuert werden können.
In 7 und 8 sind weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Roboterarms 41 dargestellt zusammen mit der Hand 43 des Verwenders, welche gekoppelt ist mit dem Exoskelett 50. In 8 ist weiterhin eine passive Halterung des Unterarms des Verwenders vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Modulare Endeffektor“ vom selben Anmelder mit demselben Anmeldetag (unser Zeichen: 172072DE MV/js) [0054]

Claims

Exoskelett zur Erfassung einer Bewegung/Kraft einer Hand bzw. Übertragung einer Bewegung/Kraft auf eine Hand mit einer Basis, wobei die Basis bei Verbinden mit der Hand insbesondere der Handinnenfläche gegenüberliegend angeordnet ist. wobei mit der Basis mindestens ein Manipulator verbunden ist, wobei mit dem der Basis abgewandten Ende des Manipulators ein Finger der Hand verbindbar ist, so dass eine Bewegung/Kraft des Fingers durch den Manipulator erfassbar ist und/oder eine Bewegung/Kraft vom Manipulator auf den jeweiligen Finger übertragbar ist, wobei mindestens ein Manipulator mit der Handfläche verbindbar ist, so dass eine Bewegung/Kraft der Handfläche relativ zu den Fingern der Hand erfassbar ist und/oder durch den Manipulator eine Bewegung/Kraft auf die Handfläche übertragbar ist.
Exoskelett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für mehr als einen Finger jeweils ein Manipulator vorgesehen ist und insbesondere für jeden Finger jeweils ein Manipulator vorgesehen ist.
Exoskelett nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Manipulator mit dem Unterarm verbindbar ist zur Erfassung einer Bewegung/Kraft des Unterarms und/oder eine Bewegung/Kraft auf den Unterarm übertragbar ist.
Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Exoskelett am Unterarm fixierbar ist.
Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Manipulator aktuiert ist.
Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Kopplung vorgesehen ist zur Verbindung zwischen Manipulator und Finger bzw. Handfläche.
Exoskelett nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnet der magnetischen Kopplung an einem Handschuh angeordnet ist.
Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Kraftsensor am Berührungspunkt zwischen Manipulator und Finger bzw. Handfläche zur Erfassung einer vom Finger bzw. Handfläche auf den Manipulator aufgebrachten Kraft und/oder zur Erfassung der vom Manipulator auf den Finger bzw. Handfläche aufgebrachte Kraft.
Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Gimbal-System am der Basis abgewandten Ende des Manipulators zur Verbindung des Fingers mit dem Manipulator, wobei insbesondere alle Drehachsen des Gimbal-Systems durch einen gemeinsamen Punkt verlaufen.
Exoskelett nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ausgangstellung die Drehachsen des Gimbal-Systems senkrecht aufeinander stehen und insbesondere derart angeordnet sind, dass bei keiner Bewegung der Hand eine Drehachse kollinear mit einer weiteren Drehachse des Gimbal-Systems ist.
Exoskelett nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Rotationspunkt und bevorzugt an allen Rotationspunkten des Gimbal-Systems ein Positionssensor angeordnet ist.
Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis ein erstes Segment und mindestens ein zweites Segment aufweist, wobei das erste Segment und das mindestens eine zweite Segment beweglich miteinander verbunden sind, so dass die Position des ersten Segments und des zweiten Segments zueinander verändert werden kann, wobei mit jeweils dem ersten Segment und dem zweiten Segment mindestens ein Manipulator verbunden ist, so dass die Lage der Manipulatoren des ersten Segments relativ zur Lage der Manipulatoren des zweiten Segments verändert werden kann.
Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Manipulators veränderbar ist und insbesondere die Positionen aller Manipulatoren veränderbar sind, so dass der Manipulator in unterschiedlichen Positionen relativ zur Basis verwendet werden kann.
Roboterarm mit einem Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Erfassung einer Bewegung/Kraft einer Hand und/oder zur Übertragung einer Bewegung/Kraft auf eine Hand.
Roboterarm nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Roboterarm mit mehr als sechs Freiheitsgraden handelt.
Roboterarm nach einem der Ansprüche 14 oder 15, gekennzeichnet durch eine Gravitationskompensation, so dass die Gewichtskraft des Handexoskeletts und/oder der Hand durch den Roboterarm ausgeglichen wird.