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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Handflächenmechanismus
für eine
Roboterhand, die in der Lage ist, mit hoher Geschwindigkeit fliegende
Gegenstände
und dergleichen exakt aufzufangen.
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2. Beschreibung des einschlägigen Standes
der Technik
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Herkömmliche Handflächenmechanismen für Roboterhände weisen
im Fall eines Handflächenmechanismus,
der z.B. aus insgesamt fünf
Fingern gebildet ist, eine Konstruktion auf, bei der vier der Finger
in einer Reihe auf einer Seite des äußeren Rands der Handfläche angebracht
sind und der verbleibende Finger in einer Position angebracht ist,
die um 180° auf
die gegenüberliegende
Seite der Handfläche
bzw. des Handtellers in Bezug auf diese vier Finger versetzt ist.
Die meisten dieser Handflächenmechanismen
biegen jeden dieser vier auf der einen Seite der Handfläche positionierten
Finger sowie den auf der anderen Seite der Handfläche positionierten einen
Finger gleichzeitig und fangen Gegenstände auf, nehmen Gegenstände auf
oder führen
andere einfache Aktionen mit einer Geschwindigkeit aus, die in etwa
der eines Menschen äquivalent
ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Es wäre in diesem Fall zweckdienlich,
wenn der den vier Fingern gegenüber
positionierte eine Finger derart konfiguriert wäre, dass er sich längs der Handfläche drehen
kann, da solche Operationen wie das Greifen von Gegenständen in
einer größeren Vielzahl
von verschiedenen Mustern ausgeführt
werden könnten,
und zwar aufgrund der Tatsache, dass die relative Position des einen Fingers
in Bezug auf die vier Finger frei variabel wäre. Ein Mechanismus, der einen
Servo-Betätiger,
einen Übertragungsmechanismus
mit einer Kombination aus Ritzeln und innenverzahnten Zahnrädern oder
ein Übertragungsmechanismus,
der einen Riemen und ein Seil verwendet, umfasst, können als
Mechanismus zum Drehen des Fingers in Betracht gezogen werden. All
diese besitzen jedoch komplexe und schwere Konstruktionen und machen
die Ausführung
rascher und exakter Operationen schwierig.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht in der Schaffung eines Handflächenmechanismus für eine Roboterhand,
der in der Lage ist, eine Vielzahl verschiedener Handoperationen
auszuführen,
durch die der Finger gemäß einer
Zielsetzung mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden kann und in
Verbindung mit einer raschen und genauen Fingerbetätigung in
einer vorbestimmten Position angeordnet werden kann.
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Zur Überwindung der vorstehend genannten Nachteile
weist ein Handflächen- bzw. Handtellermechanismus
für eine
Roboterhand gemäß der vorliegenden
Erfindung Finger für
eine Roboterhand auf, die mit viel größerer Genauigkeit und Geschwindigkeit
als der Arbeitsgeschwindigkeit von Körperorganen ansprechend auf
die menschliche visuelle Wahrnehmung arbeiten, wobei die Finger
einen an der Handfläche
angebrachten Finger sowie eine Mehrzahl von Fingern beinhalten,
die um den Randbereich der Handfläche drehbar sind.
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Mit anderen Worten weist der Handflächenmechanismus
für eine
Roboterhand gemäß der vorliegenden
Erfindung folgendes auf:
Eine Handflächenplatte;
wenigstens
eine erste und eine zweite Fingereinheit;
einen Drehbetätiger, der
nach vorne weisend auf einer Rückseite
der Handflächenplatte
angebracht ist; und
eine Drehplatte, die rechtwinklig zu einer
Rotationsausgangswelle des Drehbetätigers angebracht ist;
wobei
die erste und die zweite Fingereinheit jeweils einen Betätiger mit
einer Rotationsausgangswelle, einem Fingerhauptkörper und einem Gelenkbereich aufweisen,
der die Rotationsausgangswelle und den Fingerhauptkörper miteinander
verbindet;
wobei der Betätigen
der ersten Fingereinheit an der Handflächenplatte nach vorne weisend
angebracht ist und der Gelenkbereich sowie der Fingerhauptkörper von
einer vorderen Oberfläche
der Handflächenplatte
nach vorne ragen;
wobei der Betätiger der zweiten Fingereinheit
an der Drehplatte nach vorne weisend angebracht ist und der Gelenkbereich
sowie der Fingerhauptkörper
von der vorderen Oberfläche
der Handflächenplatte
nach vorne ragen;
wobei der Betätiger antriebsmäßig bewegt
wird, um ein Biegen des Fingerhauptkörpers ausgehend von einer zentralen
Position, die entlang der zentralen Achse der Rotationsausgangswelle
verläuft,
um den Gelenkbereich in einem vorbestimmten Winkel in Richtung von
der vorderen Oberfläche
der Handflächenplatte
weg sowie in Richtung auf die vordere Oberfläche der Handflächenplatte
zu zu ermöglichen;
und
wobei der Drehbetätiger
antriebsmäßig bewegt
wird, um ein Drehen der zweiten Fingereinheit in einem vorbestimmten
Winkel um eine zentrale Rotationsachse des Drehbetätigers in
Richtung von einer Position nahe der ersten Fingereinheit weg zu
ermöglichen.
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Es können mehrere erste bzw. zweite
Fingereinheiten vorgesehen sein, und in dem Fall, in dem zwei zweite
Fingereinheiten und zwei Drehbetätiger zum
Drehen dieser Fingereinheiten vorgesehen sind, können diese beiden zweiten Fingereinheiten
symmetrisch beidseits der ersten Fingereinheit angeordnet sein.
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Die ersten und zweiten Fingereinheiten
können
jeweils folgendes aufweisen:
Einen an der Handflächenplatte
angebrachten Befestigungsflansch;
den an seinem vorderen Endbereich
an dem Befestigungsflansch angebrachten Betätiger;
ein antriebsseitiges
Kegelrad, das an einem äußeren Endbereich
der Rotationsausgangswelle koaxial angebracht ist, die sich durch
den Befestigungsflansch hindurch erstreckt und von diesem nach vorne
ragt;
ein Paar Lagergehäuse,
die sich in Richtung nach vorne von der vorderen Oberfläche des
Befestigungsflansches weg über
Positionen auf beiden Seiten des antriebsseitigen Kegelrads erstrecken;
Lager,
die in den Lagergehäusen
angebracht sind;
eine Welle des Gelenks, die an beiden Enden
durch die Lager drehbar abgestützt
ist und in einer Richtung rechtwinklig zu einer zentralen Achse
der Rotationsausgangswelle des Betätigers ausgerichtet ist;
ein
abtriebsseitiges Kegelrad, das an einer äußeren Umfangsfläche der
Welle des Gelenks koaxial angebracht ist und mit dem antriebsseitigen
Kegelrad kämmt;
ein Verbindungselement, das mit einem Ende an der Welle des Gelenks
angebracht ist und sich in einer zu der Welle des Gelenks rechtwinkligen Richtung
erstreckt; und
einen Fingerhauptkörper, der mit einem äußeren Endbereich
des Verbindungselements verbunden ist.
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Damit sich ein Kegelrad ohne Spiel
bewegen kann, ist vorzugsweise eine Federplatte an einer äußeren Endfläche der
Lager angebracht, um die axiale Vorspannung des an der Welle des
Gelenks angebrachten, abtriebsseitigen Kegelrads zu begrenzen.
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Ein Belastungsmesser ist an einer
Seitenfläche
des Verbindungselements angebracht, um durch das Verbindungselement übertragenes
Drehmoment zu detektieren, so dass das Drehmoment ohne Detektion
eines Motorstroms des Betätigers
detektiert wird und das übertragene
Drehmoment der Fingereinheit gesteuert wird.
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Die Welle des Gelenks, bei der es
sich um das Biegezentrum handelt, ist vorzugsweise eine hohle Welle
des Gelenks, die einen hohlen Bereich für die Verdrahtung aufweist,
so dass die aus der Seite der Fingerspitze heraus geführte Verdrahtung
vertikal oder horizontal nicht über
den Gelenkbereich hinaus verschwenkt wird.
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Zur Schaffung einer mehrgelenkigen
Ausbildung der Fingereinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung sollte eine Konstruktion ähnlich der des Fingerhauptkörpers und
des Gelenkbereichs, wie diese vorstehend beschrieben worden sind,
mit der Spitze bzw. dem äußeren Endbereich
des Fingerhauptkörpers verbunden
werden. Im Fall einer zweigelenkigen Fingereinheit z.B. sollte diese
Konstruktion folgendes aufweisen:
Ein zweites Verbindungselement,
das mit einem äußeren Endbereich
des Fingerhauptkörpers
verbunden ist;
einen zweiten Betätiger, der an dem zweiten Verbindungselement
koaxial angebracht ist und in dem hohlen Fingerhauptkörper untergebracht
ist;
ein zweites antriebsseitiges Kegelrad, das an einem äußeren Endbereich
der Rotationsausgangswelle dieses zweiten Betätigers koaxial angebracht ist;
ein
Paar zweiter Lagergehäuse,
die an dem zweiten Verbindungselement ausgebildet sind und sich
in Richtung nach vorne über
Positionen auf beiden Seiten des antriebsseitigen Kegelrads erstrecken;
zweite
Lager, die in den zweiten Lagergehäusen angebracht sind;
eine
zweite Welle des Gelenks, die an beiden Enden durch die zweiten
Lager drehbar abgestützt
ist und in einer Richtung rechtwinklig zu einer zentralen Achse der
Rotationsausgangswelle des zweiten Betätigers ausgerichtet ist;
ein
zweites abtriebsseitiges Kegelrad, das an einer äußeren Umfangsfläche der
zweiten Welle des Gelenks koaxial angebracht ist und mit dem zweiten
antriebsseitigen Kegelrad kämmt;
ein
drittes Verbindungselement, das mit einem Ende an der zweiten Welle
des Gelenks angebracht ist und sich in der zu der zweiten Welle
des Gelenks rechtwinkligen Richtung erstreckt; und
einen zweiten
Fingerhauptkörper,
der mit einem äußeren Endbereich
des dritten Verbindungselements verbunden ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht unter Darstellung des Handflächenmechanismus für eine mit
hoher Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand, bei der die vorliegende
Erfindung Anwendung findet;
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2 eine
teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht des Handflächenmechanismus
für eine
mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand gemäß 1;
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3 eine
Frontansicht unter Darstellung des Handflächenmechanismus für eine mit
hoher Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand gemäß 1;
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4A und 4B eine Rückansicht bzw. eine Schnittdarstellung
des Handflächenmechanismus
für eine
mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand gemäß 1;
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5A, 5B und 5C eine Frontansicht, eine Seitenansicht
bzw. eine Rückansicht
eines anderen Beispiels des Montagegestells des Handflächenmechanismus
für eine
mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand gemäß 1;
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6 eine
Draufsicht auf die gelenkige Fingereinheit, bei der die vorliegende
Erfindung Anwendung findet;
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7 eine
Längsschnittansicht
der gelenkigen Fingereinheit der 6;
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8A eine
Querschnittsansicht des Gelenkbereichs auf der Fingerbasisseite
der gelenkigen Fingereinheit der 6;
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8B eine
Draufsicht auf das in diese integrierte Verbindungselement auf der
Fingerbasisseite;
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9A eine
Schnittdarstellung des Gelenkbereichs auf der Seite der Fingerspitze
der gelenkigen Fingereinheit der 6;
und
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9B eine
Draufsicht auf das in diese integrierte Verbindungselement auf der
Seite der Fingerspitze.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ein Handflächenmechanismus für eine mit hoher
Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand, bei der die vorliegende
Erfindung Anwendung findet, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf einen Handflächenmechanismus
für eine
mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel, 2 zeigt eine Schnittdarstellung
davon, und 3 zeigt eine
Frontansicht davon. 4A zeigt
eine Rückansicht
des Handflächenmechanismus
für eine
mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand, und 4B zeigt eine Schnittdarstellung
des Schnittbereichs entlang der Linie B-B derselben. Unter Bezugnahme
auf diese Zeichnungen weist ein Handflächenmechanismus 1 für eine mit
hoher Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand eine vertikal angeordnete,
rechteckige Handflächen-
bzw. Handtellerplatte 3 sowie drei gelenkige Fingereinheiten 5, 11 und 12 auf.
Die gelenkige Fingereinheit 5 läßt sich derart steuern, dass
sie sich jeweils auf einen Winkel von 90° oder einen ähnlichen Winkel nach außen oder
nach innen ausgehend von einem linear gestreckten Zustand biegen läßt, und
dieser Biegevorgang läßt sich
mit hoher Geschwindigkeit und mit Genauigkeit ausführen. Diese gelenkige
Fingereinheit 5 ist an einem zentralen Bereich eines oberen
Längsseitenrands
an der Handflächenplatte 3 angebracht,
und identisch ausgebildete gelenkige Fingereinheiten 11 und 12 sind
beidseits der gelenkigen Fingereinheit 5 angeordnet. Die rechteckige
Handflächenplatte 3 weist
vier große
abgeschrägte
Ecken auf.
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Die linke und die rechte gelenkige
Fingereinheit 11 und 12 sind jeweils an äußeren Endteilen
der Drehplatten 8 und 9 angebracht. Innere Endteile
dieser Drehplatten 8 und 9 sind in feststehender
Weise in Rotationsausgangswellen kleindimensionierter, leichter
Servo-Betätiger
(Drehbetätiger) 6 und 7 gepasst,
die ein hohes Ausgangsdrehmoment aufweisen und an einer rückwärtigen Oberfläche der
Handflächenplatte 3 angebracht
sind, wobei sich diese inneren Endteile in einer Richtung rechtwinklig
zu den Rotationsausgangswellen erstrecken. Die an den äußeren Endteilen
dieser Drehplatten 8 und 9 angebrachten, gelenkigen
Fingereinheiten 11 und 12 sind jeweils in der
Lage, sich außen
auf der linken und der rechten kurzen Seite der Handflächenplatte 3 zu
drehen. Die Einheiten 11 und 12 sind identisch
mit der an der Oberseite der Handflächenplatte 3 zentral
positionierten gelenkigen Fingereinheit 5 und sind derart angebracht,
dass sie in einem linear gestreckten Zustand (einem Neutralzustand)
in einer zu der Oberfläche
der Handflächenplatte 3 rechtwinkligen
Richtung weg ragen.
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Unter weiterer Beschreibung derselben
weist der Handflächenmechanismus 1 für eine mit
hoher Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand ein Montagegestell 2 auf,
das vertikal auf einem Boden oder einer anderen Oberfläche angebracht
ist. Die rechteckige Handflächenplatte 3 ist
an einem Montagegestell 2a vertikal angebracht, das wiederum
in einem oberen Bereich des Montagegestells 2 angebracht ist,
und zwar derart, dass die Längsdimension
der Platte seitlich ausgerichtet ist. Ein Betätiger-Montagerahmen 4,
der mit einer kreisförmigen Öffnung versehen
ist, ist in der Mitte an der vorderen Oberfläche des oberen Endrandbereichs
der Handflächenplatte 3 angebracht.
Mit anderen Worten ist der untere Endbereich des Betätiger-Montagerahmens 4 an
der Handflächenplatte 3 mittels
eines Abstandselements 41 angebracht, und der kreisförmige Öffnungsbereich
des Betätiger-Montagerahmens 4 ist
nach vorne weisend vertikal ausgerichtet (siehe 4(B)).
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Ein Betätiger 51 für die gelenkige
Fingereinheit 5 ist an dem Betätiger-Montagerahmen 4 angebracht.
Der vordere Endbereich des Betätigers 51 ist an
dem Betätiger-Montagerahmen 4 befestigt,
und eine mit einer Rotationsausgangswelle 52 des Betätigers 51 koaxial
verbundene gelenkige Fingerhauptkörpereinheit 53 ragt
durch die kreisförmige Öffnung des
Betätiger-Montagerahmens 4 nach
vorne.
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Die Fingerhauptkörpereinheit 53 der
gelenkigen Fingereinheit 5 weist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
einen Gelenkbereich 54, der auf einer Seite der Fingerbasis
angeordnet ist und mit einem vorderen Ende der Rotationsausgangswelle 52 des
Betätigers 51 verbunden
ist, einen Fingerbasisbereich 55, der mit einer Vorderseite
des Gelenkbereichs 54 an der Fingerbasis verbunden ist,
einen Gelenkbereich 56, der auf der Seite der Fingerspitze angeordnet
ist und mit der Spitze bzw. dem äußeren Ende
dieses Fingerbasisbereichs 55 verbunden ist, sowie einen
Fingerspitzenbereich 57 auf, der mit dem vorderen Ende
dieses Gelenkbereichs 56 auf der Seite der Fingerspitze
verbunden ist.
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Ferner ist ein Paar nach vorne ausgerichteter Drehbetätiger 6 und 7 an
einer rückwärtigen Oberfläche des
linken und des rechten Endbereichs der rechteckigen Handflächenplatte 3 in
einer zu der Handflächenplatte 3 rechtwinkligen
Richtung angebracht. Die Rotationsausgangswellen 61 und 71 dieser
Drehbetätiger 6 und 7 sind
durch Lager 62 und 72 drehbar abgestützt, die
an der Handflächenplatte 3 angebracht
sind. Die Drehplatten 8 und 9 sind an vorderen
Endbereichen der Rotationsausgangswellen 61 und 71,
die von diesen Lagern 62 und 72 in Richtung nach
vorne ragen, in einem parallel zu der Handflächenplatte 3 verlaufenden
Zustand angebracht. Betätiger-Montagerahmen 81 und 91,
in denen kreisförmige Öffnungen
ausgebildet sind, sind in äußeren Enden
dieser Drehplatten 8 und 9 ausgebildet. Die gelenkigen
Fingereinheiten 11 und 12 sind jeweils in dem
Betätiger-Montagerahmen 81 und 91 angebracht.
Die gelenkigen Fingereinheiten 11 und 12 weisen
die gleiche Konstruktion wie die vorstehend beschriebene Fingereinheit 5 auf,
die an der Handflächenplatte 3 zentral
angeordnet ist, so dass die gleichen Schlüsselsymbole an den entsprechenden
Stellen verwendet werden und auf eine Beschreibung hiervon verzichtet
wird. Die gelenkigen Fingereinheiten 11 und 12 sind
an den Betätiger-Montagerahmen 81 und 91 in
der gleichen Weise wie die vorstehend beschriebene gelenkige Fingereinheit 5 angebracht.
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Eine Schutzplatte 31, die
die Oberfläche
der Handflächenplatte 3 schützt, ist
vor unteren Endbereichen der Betätiger-Montagerahmen 4, 81 und 91 an
der vorderen Oberfläche
der Handflächenplatte 3 angeordnet.
Bei dieser Schutzplatte 31 handelt es sich um eine elliptische
Platte, die sich in Längsrichtung über die Handflächenplatte 3 hinaus
erstreckt, wie dies durch die dicke Linie aus abwechselnden langen
und doppelten kurzen Strichen in 3 dargestellt
ist, und die parallel zu der Oberfläche der Handflächenplatte 3 angebracht
ist.
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Wenn die an der hinteren Oberfläche der Handflächenplatte 3 angebrachten
Drehbetätiger 6 und 7 antriebsmäßig bewegt
werden und die an den Rotationsausgangswellen 61 und 71 derselben
angebrachten Drehplatten 8 und 9 gedreht werden, können sich
die gelenkigen Fingereinheiten 11 und 12 von oberen
Endpositionen 11A und 12A in der Nähe der gelenkigen
Fingereinheit 5 in untere seitliche Positionen 11B und 12B drehen,
die z.B. um 120° entlang
des linken und des rechten halbkreisförmigen Außenumfangsrandbereichs der
an der vorderen Oberfläche
der Handflächenplatte 3 angebrachten
Schutzplatte 31 verdreht sind, wie dies in 3 gezeigt ist.
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Eine rechteckige Verbinderbasisplatte 13 zum
Zuführen
von Elektrizität
ist an einer Stelle auf einer Rückseite
der gelenkigen Fingereinheiten 5, 11 und 12 angebracht,
wie dies in den 4A und 4B gezeigt ist. Die Bereiche,
in denen die Drehbetätiger 6 und 7,
an der Verbinderbasisplatte 13 positioniert sind, sind
weggeschnitten, und hintere Endbereiche der Drehbetätiger 6 und 7 ragen
von der Verbinderbasisplatte 13 nach hinten.
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Das Montagegestell 2 weist
einen zwischengeordneten Drehbereich 14 auf, und die oberen
Bereiche des Montagegestells sind in der Lage, sich um 90° hin und
her um den Drehbereich 14 zu drehen, wie dies aus 2 ersichtlich ist. Eine
ohne den Drehbereich 14 konfigurierte Vorrichtung kann
ebenfalls als Montagegestell dienen, wie dies in 5 gezeigt
ist.
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Die gelenkige Fingereinheit
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Als nächstes zeigt 6 eine Draufsicht einer gelenkigen Fingereinheit,
die zur Verwendung für die
gelenkigen Fingereinheiten 5, 11 und 12 geeignet ist,
und 7 zeigt eine Schnittdarstellung
derselben. Die 8A und 8B zeigen eine Querschnittsansicht
eines Gelenkbereichs auf einer Fingerbasisseite der gelen kigen Fingereinheit
bzw. eine Draufsicht auf ein in diese integriertes Verbindungselement
auf der Fingerbasisseite. Die 9A und 9B zeigen eine Querschnittsansicht
unter Darstellung eines Gelenkbereichs auf der Seite einer Fingerspitze
der gelenkigen Fingereinheit bzw. eine Draufsicht auf ein in diese
integriertes Verbindungselement auf der Seite der Fingerspitze.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beinhaltet die gelenkige Fingereinheit 100 einen Befestigungsflansch 102,
bei dem es sich um einen dem Montagerahmen 4, 81 und 91 entsprechenden
Bestandteil handelt; einen Betätiger 103,
der dem an diesem Befestigungsflansch 102 angebrachten
Betätiger 51 entspricht;
sowie eine gelenkige Fingerhauptkörpereinheit 105, die
der mit einer Rotationsausgangswelle 104 des Betätigers 103 verbundenen Fingerhauptkörpereinheit 53 entspricht.
Die Fingerhauptkörpereinheit 105 besitzt
einen Gelenkbereich 106 (den Gelenkbereich 54 auf
der Fingerbasisseite), der auf der Fingerbasisseite angeordnet ist
und mit dem vorderen Ende der Rotationsausgangswelle 104 des
Betätigers 103 verbunden
ist, einen Fingerbasisbereich 107 (den Fingerbasisbereich 55),
der mit der Vorderseite des Gelenkbereichs 106 dieser Fingerbasis
verbunden ist, einen Gelenkbereich 108 (den Gelenkbereich 56 auf
der Seite der Fingerspitze), der auf der Seite der Fingerspitze
angeordnet ist und mit der Spitze bzw. dem äußeren Ende dieses Fingerbasisbereichs 107 verbunden
ist, sowie einen Fingerspitzenbereich 109, der mit der
Vorderseite dieses Gelenkbereichs 108 (des Fingerspitzenbereichs 57) auf
der Seite der Fingerspitze verbunden ist.
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Genauer gesagt ist bei nach vorne
weisendem zylindrischen Betätiger 103 ein
vorderer Endbereich desselben an einem eine kreisförmige Öffnung aufweisenden
Gehäusebereich 102a des
Befestigungsflansches 102 angebracht, und die Rotationsausgangswelle 4 erstreckt
sich von der vorderen Endfläche
desselben durch den eine kreisförmige Öffnung aufweisenden
Gehäusebereich 102a hindurch
und ragt nach vorne. Ein antriebsseitiges Kegelrad 111 ist
an dem äußeren Endbereich
dieser Rotationsausgangswelle 104 koaxial angebracht.
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Ein Paar Lagergehäuse 102b und 102c auf der
Fingerbasisseite erstreckt sich hierbei parallel zueinander von
dem oberen und dem unteren Ende der vorderen Oberfläche des
Befestigungsflansches 102 über die obere und die untere
Position des antriebsseitigen Kegelrads 111. Ein oberes
Kugellager 112 und ein unteres Kugellager 113 sind
jeweils derart angebracht, dass sie sich in koaxialen Positionen
an dem äußeren Endbereich
der Lagergehäuse 102b und 102c auf
der Fingerbasisseite befinden und dabei weiter nach vorne ragen
als das antriebsseitige Kegelrad 111. Das obere und das
untere Ende einer Welle 114 des Gelenks auf der Fingerbasisseite
sind von den Kugellagern 112 und 113 drehbar abgestützt, und
zwar in einer zu der Axialrichtung der Rotationsausgangswelle 104 rechtwinkligen
(bei dem vorliegenden Beispiel vertikalen) Richtung.
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Ein abtriebsseitiges Kegelrad 115 ist
an einem äußeren Umfangsflächenbereich
eines oberen Teils der Welle 114 des Gelenks in Axialrichtung
derselben koaxial angebracht, wobei das abtriebsseitige Kegelrad 115 mit
dem antriebsseitigen Kegelrad 111 kämmt. Eine ringförmige Erhebung 116a eines
Verbindungselements 116 ist an einer in Axialrichtung zentralen
Stelle der Welle 114 des Gelenks angebracht. Das Verbindungselement 116 weist
die ringförmige
Erhebung 116a, einen Halsbereich 116b, der sich
von dieser ringförmigen
Erhebung 116a in Richtung nach vorne erstreckt, sowie einen
Gabelbereich 116c auf, der sich von einem äußeren Ende
des Halsbereichs 116b in Form eines umgekehrten "C" in Richtung nach vorne erstreckt. Eine
zylindrische Abdeckung 117 auf der Basisseite ist mit diesem
Gabelbereich 116c koaxial verbunden.
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Der Gelenkbereich 106 auf
der Fingerbasisseite, der mit dem vorderen Ende der Rotationsausgangswelle 104 des
Betätigers 103 verbunden
ist, umfasst somit das obere und das untere Gehäuse 102b und 102c,
die auf der Fingerbasisseite angeordnet sind und an dem Befestigungsflansch 102 ausgebildet
sind, das obere und das untere Kugellager 112 und 113,
die Welle 114 des Gelenks auf der Fingerbasisseite, das
abtriebsseitige Kegelrad 115 auf der Fingerbasisseite sowie
das Verbindungselement 116 auf der Fingerbasisseite. Der
Fingerbasisbereich 107 ist gebildet aus der zylindrischen
basisseitigen Abdeckung 117, die mit dem Gabelbereich 116c des
Verbindungselements 116 auf der Fingerbasisseite verbunden
ist.
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Der Gelenkbereich 108 auf
der Seite der Fingerspitze sowie der mit dem äußeren Ende des Fingerbasisbereichs 107 verbundene
Fingerspitzenbereich 109 weisen eine ähnliche Konstruktion wie der Fingerbasisbereich 107 und
der Gelenkbereich 106 auf der Fingerbasisseite auf. Mit
anderen Worten ist ein zweiter Betätigen 121 koaxial
in einen hohlen Bereich der Abdeckung 117 auf der Basisseite
integriert, und der vordere Endbereich dieses Betätigers 121 ist durch
einen ringförmigen
Flansch 122 drehbar abgestützt, der in ähnlicher
Weise in den hohlen Bereich der Abdeckung 117 auf der Basisseite
integriert ist. Eine äußere Umfangsfläche dieses
ringförmigen Flansches 122 ist
an einer inneren Umfangsfläche der
Abdeckung 117 auf der Basisseite angebracht.
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Eine Rotationsausgangswelle 123 des
Betätigers 121 erstreckt
sich durch den hohlen Bereich des ringförmigen Flansches 122 und
ragt koaxial in Richtung nach vorne, und ein antriebsseitiges Kegelrad 124 auf
der Seite der Fingerspitze ist an dem äußeren Endbereich desselben
koaxial angebracht. Ein Paar Lagergehäuse 122a und 122b auf
der Seite der Fingerbasis erstreckt sich parallel zueinander von dem
oberen und dem unteren Ende der vorderen Oberfläche des ringförmigen Flansches 122 über die obere
und die untere Position des antriebsseitigen Kegelrads 124.
Ein oberes Kugellager 125 und ein unteres Kugellager 126 sind
jeweils derart angebracht, dass sie sich in koaxialen Positionen
an dem äußeren Endbereich
der Lagergehäuse 122a und 122b auf
der Seite der Fingerbasis befinden und dabei weiter nach vorne ragen
als das antriebsseitige Kegelrad 124. Das obere und das
untere Ende einer Welle 127 des Gelenks auf der Seite der
Fingerbasis sind durch die Kugellager 125 und 126 drehbar
abgestützt,
und zwar in einer zu der Axialrichtung der Rotationsausgangswelle 123 rechtwinkligen
(bei dem vorliegenden Beispiel vertikalen) Richtung.
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Ein abtriebsseitiges Kegelrad 128 ist
an einem äußeren Umfangsflächenbereich
eines oberen Teils dieser Welle 127 des Gelenks in Axialrichtung derselben
koaxial angebracht, und das abtriebsseitige Kegelrad 128 kämmt mit
dem an triebsseitigen Kegelrad 124. Eine ringförmige Erhebung 129a eines Verbindungselements 129 auf
der Seite der Fingerspitze ist in einer in Axialrichtung zentralen
Position des abtriebsseitigen Kegelrads 128 angebracht.
Das Verbindungselement 129 weist die ringförmige Erhebung 129a,
einen Halsbereich 129b, der sich von dieser ringförmigen Erhebung 129a in
Richtung nach vorne erstreckt, sowie einen Gabelbereich 129c auf, der
sich von dem äußeren Endbereich
dieses Halsbereichs 129b in Form eines umgekehrten "C" (siehe 9)
nach vorne erstreckt. Eine zylindrische Abdeckung 130 auf
der Seite der Fingerspitze, deren äußerer Endbereich in Form eines
halbkugeligen Gebildes geschlossen ist, ist koaxial mit diesem Gabelbereich 129c verbunden.
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Bei dem vorliegenden Beispiel handelt
es sich um eine Doppelgelenk-Fingereinheit, die einen Gelenkbereich
auf der Seite der Fingerbasis und einen Gelenkbereich auf der Seite
der Fingerspitze aufweist, jedoch ist auch eine Konstruktion mit
einem Einzelgelenk oder eine Konstruktion mit drei Gelenken oder
mehr möglich.
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Bei der gelenkigen Fingereinheit 100 des vorliegenden
Beispiels mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion wird die
Rotation der Rotationsausgangswelle 104 durch ein Paar
Kegelräder 111 und 115 in
Rotationsbewegung der Welle 114 des Gelenks umgewandelt,
und das Verbindungselement 116, dessen eines Ende an dieser
Welle 114 des Gelenks angebracht ist, bewegt sich rotationsmäßig nach
rechts und nach links um einen Winkel von 90° oder mehr um die Gelenkwelle 114.
Auf diese Weise läßt sich
ein leichter, mit hoher Geschwindigkeit arbeitender und hohe Präzission
aufweisender künstlicher
Finger realisieren, bei dem sich die Gelenkbereiche 106 und 108 in
steuerbarer Weise um einen Winkel von 90° oder mehr nach vorne und nach
hinten oder nach rechts und nach links biegen lassen und der ferner
in der Lage ist, eine große
Anzahl verschiedener Operationen auszuführen.
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Die Betätiger 103 und 121 haben
eine Konstruktion, die Folgendes aufweist:
Einen Servomotor,
der ausgelegt ist für
hohe Geschwindigkeit und maximales Drehmoment für eine kurze Zeitdauer mittels
einer hochdichten Windungs- und
hochdichten Komponentenanordnung; ein als Einheit ausgebildetes „Har monic-Drive"-Getriebe mit kurzen
Abmessungen, hohem Drehmoment und geringem Spiel, das ein hohes
Untersetzungsverhältnis aufweist
(z.B. 1/50 bis 1/100); sowie einen kleinen, leichten Codierer mit
hoher Auflösung
und mit raschem Ansprechen.
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Bei dem vorliegenden Beispiel dienen öllose Kegelräder mit
minimalem Spiel als Kegelräder 111, 115, 124 und 128.
Derartige Kegelräder
werden nach dem Schneiden der Zähne
oberflächengehärtet, ohne
Spiel mittels einer mit hoher Präzision
arbeitenden Kegelrad-Läpp-Maschine
geläppt
sowie mit einem festen Schmiermittel auf einer Verzahnungsoberfläche imprägniert,
um einen spielfreien Betrieb ohne Einsatz von Öl zu ermöglichen.
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Es folgt nun eine Beschreibung der
spielfreien Konstruktion der Kegelräder 111 und 115 sowie der
Kegelräder 124 und 128,
die bei den Gelenkbereichen des vorliegenden Beispiels verwendet
werden. Unter Bezugnahme auf die 6 und 7 sind in dem Gelenkbereich 106 auf
der Fingerbasisseite Federplatten 131 und 132 an
einer oberen Endfläche des
oberen Kugellagers 112 bzw. einer unteren Endfläche des
unteren Kugellagers 113 angebracht, in denen das obere
und das untere Ende der Welle 114 des Gelenks durch die
Kugellager 112 und 113 drehbar abgestützt sind.
Die Federplatten 131 und 132 sind vorgesehen,
um die Gelenkwelle 114 mit axialer Kraft in zentraler Richtung
des Kegelradkonus zu beaufschlagen, um dadurch die axiale Verlagerung
der Welle 114 zu begrenzen. In gleicher Weise sind Federplatten 133 und 134,
die in ähnlicher
Weise funktionieren, in dem Gelenkbereich 108 auf der Seite
der Fingerspitze angebracht.
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Alternativ hierzu können die
Kegelräder
in einem spielfreien Zustand angebracht werden, indem man die Vorrage-
und Biegekraft der Rotationsausgangswelle des Betätigers nutzt.
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Ein Belastungsmesser ist in der gelenkigen Einheit 100 des
vorliegenden Beispiels vorgesehen, um auf die Fingereinheit aufgebrachtes
Drehmoment zu detektieren. Genauer gesagt ist in der in 8A und 8B dargestellten Weise ein Belastungsmesser 135 an
einer seitlichen Oberfläche
des Halsbereichs 116b (quadratischer Säulenbereich) in dem Verbindungselement 116 des
Gelenkbereichs 106 auf der Seite der Fingerbasis angebracht.
In ähnlicher
Weise ist ein Belastungsmesser 136 an einer seitlichen Oberfläche des
Halsbereichs 129b in dem Verbindungselement 129 des
Gelenkbereichs 108 auf der Seite der Fingerspitze angebracht,
wie dies in den 9A und 9B gezeigt ist. Das auf die
Gelenkbereiche 106 und 108 aufgebrachte Drehmoment
kann auf der Basis der Ausgangssignale der Belastungsmesser 135 und 136 festgestellt
werden. Somit läßt sich Drehmoment
feststellen, und eine Drehmomentsteuerung kann auf der Basis dieser
Feststellung ausgeführt
werden, ohne dass eine Notwendigkeit besteht, diesen Vorgang auf
der Grundlage des Motorstroms der Betätiger 103 und 121 auszuführen.
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Bei den Wellen 114 und 127 der
Gelenke, die ein Biegezentrum der Gelenkbereiche 106 und 108 des
vorliegenden Beispiels bilden, handelt es sich um hohle Wellen der
Gelenke. Die Leitungsdrähte
des Belastungsmessers 136, des Betätigers 121 auf der Seite
der Fingerspitze sowie weiterer Komponenten die näher bei
der Fingerspitze und weiter von den Wellen der Gelenke 114 und 127 weg
angeordnet sind, werden unter Verwendung der hohlen Bereiche dieser
hohlen Wellen der Gelenke verlegt, so dass es möglich wird, ein Scheuern der
Drähte
oder eine anderweitige Beeinträchtigung
derselben während
der Rotation der Hauptwelle 108 des Gelenks zu verhindern.
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Arbeitsweise
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Ein Beispiel für eine Arbeitsweise des Handflächenmechanismus 1 für eine mit
hoher Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand gemäß dem vorliegenden Beispiel
mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion wird im Folgenden
beschrieben. Dabei ist z.B. die gelenkige Fingereinheit 11 auf
der linken Seite in der oberen Endposition 11A nahe der
gelenkigen Fingereinheit 5 in der Mitte positioniert, und
die gelenkige Fingereinheit 12 wird in die untere Endposition 12B verdreht
und in dieser Position fixiert. Mit anderen Worten wird die gelenkige
Fingereinheit 12 auf der hinsichtlich der gelenkigen Fingereinheiten 5 und 11 entgegengesetzten
Seite des Handflächenmechanismus
positioniert. Stan genartige oder kugelförmige Gegenstände können gegriffen,
aufgenommen und geworfen werden, wenn die relativen Positionen der
gelenkigen Fingereinheiten 5, 11 und 12 eingenommen
sind und die gelenkigen Fingereinheiten 5, 11 und 12 steuerbar
in dieser Weise gebogen werden.
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Wenn die linke und die rechte gelenkige
Fingereinheit 11 und 12 ausgehend von den oberen Endpositionen 11A und 12A gedreht
werden und in einer Distanz von 120° davon in den unteren Endpositionen 11B und 12B positioniert
werden, wie dies durch die imaginäre Linie in den 1 und 3 dargestellt ist, lassen sich Greif-
und Aufnahmevorgänge
in einfacher und zuverlässiger
Weise ausführen.
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Ferner ist es möglich, Gegenstände zwischen
beiden Oberflächen
der gelenkigen Fingereinheit 5 auf der feststehenden Seite
in der Mitte sowie der gelenkigen Fingereinheit 11 oder 12 auf
der linken und rechten beweglichen Seite einzuklemmen. In diesem
Fall lassen sich die Drehpositionen der gelenkigen Fingereinheiten 11 und 12 auf
der linken und der rechten beweglichen Seite einstellen, und ihre Distanz
von der gelenkigen Fingereinheit 5 auf der feststehenden
Seite im Zentrum läßt sich
ebenfalls einstellen. Wenn die linke und die rechte gelenkige Fingereinheit 11 und 12 nach
oben gebogen werden, während
sie über
eine vorbestimmte Distanz voneinander getrennt sind, ist es auch
möglich,
stangenartige Gegenstände
zwischen dem rückwärtigen Bereich
(dem oberen Bereich) und dem mittleren Bereich (dem unteren Bereich)
der gelenkigen Fingereinheit 5 auf der feststehenden Seite
zu greifen und zu halten.
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Derartige Vorgänge können in Zeiteinheiten von Millisekunden
ausgeführt
werden, wobei dies in signifikanter Weise schneller ist als die
Bewegung eines menschlichen Fingers. Dies bedeutet, dass eine Anwendung
zum Fangen von mit hoher Geschwindigkeit fliegenden Gegenständen, zum
Werfen mit hoher Geschwindigkeit sowie zum Aufnehmen von fliegenden
Gegenständen
möglich
ist.
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Weitere Ausführungsformen
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Der Handflächenmechanismus für eine mit hoher
Geschwindigkeit arbeitende Roboterhand gemäß der vorliegenden Beschreibung
ist mit einer im Zentrum angeordneten, gelenkigen Fingereinheit 5 auf
der feststehenden Seite sowie mit beidseits davon angeordneten gelenkigen
Fingereinheiten 11 und 12 auf der beweglichen
Seite konfiguriert. Es ist jedoch auch möglich, zwei oder mehr gelenkige
Fingereinheiten auf der feststehenden Seite sowie eine oder drei
oder mehr gelenkige Fingereinheiten auf der beweglichen Seite vorzusehen.
Es ist auch möglich,
eine Konfiguration aufzugreifen, bei der die gelenkigen Fingereinheiten
der feststehenden Seite beidseits von den gelenkigen Fingereinheiten
auf der beweglichen Seite angeordnet sind, oder eine Konfiguration,
bei der gelenkige Fingereinheiten in einander abwechselnder Weise
auf der beweglichen Seite und der feststehenden Seite vorgesehen
sind, oder aber auch Konfigurationen mit anderen Anordnungen.
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Es ist auch möglich, die Anzahl der gelenkigen
Fingereinheiten auf der beweglichen Seite auf vier zu setzen und
unterschiedliche Gegenstände
mit Paaren aus jeweils zwei solchen Fingereinheiten entweder gleichzeitig
oder zeitlich getrennt zu handhaben.
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Es ist auch möglich, eine Konfiguration zu haben,
die den gelenkigen Fingereinheiten auf der beweglichen Seite eine
Drehung nach vorne und nach hinten ermöglicht.
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Wie vorstehend beschrieben worden
ist, weist der Handflächenmechanismus
für eine
Roboterhand gemäß der vorliegenden
Erfindung eine gelenkige Fingereinheit auf der feststehenden Seite,
die sich von der Handflächenplatte
in Richtung nach vorne erstreckt, sowie gelenkige Fingereinheiten
auf der beweglichen Seite auf, die sich von der Handflächenplatte
nach vorne erstrecken und in der Lage sind, sich in Richtung auf
die gelenkige Fingereinheit auf der feststehenden Seite zu sowie
von dieser weg zu drehen. Der Mechanismus zum Drehen der gelenkigen
Fingereinheiten auf der beweglichen Seite weist ferner auch eine
sehr einfache Konstruktion auf.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
können Vorgänge, die
das Greifen, Aufnehmen und Werfen von Gegenständen beinhalten, somit rasch
und zuverlässig
ausgeführt
werden, da gelenkige Fingereinheiten in vielen verschiedenen Mustern
betätigt
werden können.