DE112005002849T5

DE112005002849T5 - Robotergelenkstruktur und Roboterfinger

Info

Publication number: DE112005002849T5
Application number: DE112005002849T
Authority: DE
Inventors: Takeki Shirai; Kaoru Hoshide; Koji Ozwawa
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2005-11-01
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2025-11-02
Also published as: CN101107101A; JPWO2006054443A1; US7592768B2; US20080127768A1; DE112005002849B4; WO2006054443A1; JP4727590B2; CN100553901C

Abstract

Robotergelenkstruktur, aufweisend:
ein Mittelhandelement mit einer Bezugsfläche;
eine mittelhandelementseitige Antriebseinheit, die an der Bezugsfläche derart montiert ist, dass sie ein bewegbares Element in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Bezugsfläche drückt oder zieht;
ein proximales Element, das über ein Gelenk mit einem seitlichen Endabschnitt des Mittelhandelements schwenkbar verbunden ist; und
eine Linearführungsvorrichtung für ein MP-Gelenk, die mit einem beweglichen Element versehen ist, das in Verbindung mit der Schwenkbewegung des proximalen Elements bewegbar ist,
wobei das bewegbare Element und das bewegliche Element über einen Gelenkmechanismus miteinander verbunden sind, und das proximale Element entsprechend der Druck/Zugbewegung des bewegbaren Elements durch die mittelhandelementseitige Antriebseinheit geschwenkt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Robotergelenkstruktur und einen Roboterfinger, der durch Verbinden der Robotergelenkstrukturen gebildet wird, und betrifft insbesondere eine Robotergelenkstruktur und einen Roboterfinger, die geeignet sind, eine(n) sanfte(n) Bewegung oder Betrieb des Gelenks zu realisieren und deren Greifkraft zu verbessern.
Stand der Technik
Gelenke von menschlichen Fingern sind die wichtigsten Teile einer oberen Extremität zum Greifen eines Gegenstandes und sind die wesentlichsten Gelenkverbindungen, und man sagt, dass, wenn die Funktion des Fingergelenks beschädigt ist, fast alle Funktionen der oberen Extremität verloren gehen, und dementsprechend sind die Fingergelenke sehr wichtige Teile eines menschlichen Fingers zum Greifen eines Gegenstandes.
Eine Grundstruktur der Finger wird mit Bezug auf Strukturen des zweiten bis fünften Fingers (d.h. Zeigefinger, Mittelfinger, Ringfinger und kleiner Finger) erläutert. Wie in 6 gezeigt, die eine Knochenstruktur einer menschlichen Hand zeigt, hat der Finger eines Menschen von seiner Wurzelseite ein Mittelhandglied 10, ein proximales Glied 12, ein mittleres Glied 14 und ein distales Glied 16 in der beschriebenen Reihenfolge, und die Fingergelenke als Verbindungsabschnitte dieser Glieder werden von einem Mittelhand/proximalen Segmentgelenk 11 (MP-Gelenk genannt), einem proximalen/mittleren Segmentgelenk 13 (PIP-Gelenk genannt) bzw. einem mittleren/distalen Segmentgelenk 15 (nachfolgend DIP-Gelenk genannt) gebildet. Ein Teil des Mittelhandknochens wird Mittelhand 20 genannt, ein Teil des proximalen Gliedes 12 wird proximales Segment 22 genannt, ein Teil des mittleren Gliedes 14 wird mittleres Segment 24 genannt, und ein Teil des distalen Gliedes 16 wird distales Segment 26 genannt.
Da die Struktur des Fingers sehr kompliziert ist, ist dessen Bewegung ebenfalls kompliziert. Zum Beispiel werden, obwohl das MP-Gelenk 11 des Wurzelabschnitts des Fingers unabhängig allein bewegt werden kann, das PIP-Gelenk 13 und das DIP-Gelenk 15, die an der Vorderseite des MP-Gelenks angeordnet sind, in Verbindung miteinander bewegt. Das heißt, wenn ein Finger in einer unbeabsichtigten natürlichen Weise gebogen wird, wird das PIP-Gelenk 13 zuerst gebogen, und das DIP-Gelenk 15 wird dadurch gebogen. Dementsprechend werden das proximale Segment 22, das mittlere Segment 24 und das distale Segment 26 des menschlichen Fingers vollständig als eine Einheit mit dem MP-Gelenk 11 als Drehpunkt gebogen, und andererseits werden das proximale Segment 22, das mittlere Segment 24 und das distale Segment 26 mit dem PIP-Gelenk 13 bzw. dem DIP-Gelenk 15 als Drehpunkte gebogen. Solche Bewegungen des Fingers werden in Verbindung mit einer komplizierten Bewegung von Muskeln realisiert.
Im Übrigen ist es herkömmlich erforderlich, menschliche Finger nachzubilden, welche komplizierte Strukturen haben und in komplizierter Weise als ein Roboter betrieben werden, und dass der Roboter verschiedene Arbeiten anstelle der menschlichen Finger verrichtet. Wenn ein solcher Roboter, der mit den Funktionen des menschlichen Fingers versehen ist, für die Arbeiten in einer unerwünschten Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit oder einem Bereich, in welchem Strahlung ausgesendet wird, und in einer speziellen Umgebung, wie Weltraum, verwendet wird, können sowohl die Arbeitseffizienz, die Arbeitsschutzumgebung oder dergleichen verbessert als auch die laufenden Kosten reduziert werden. In Anbetracht solcher Umstände wurden verschiedene Gelenkstrukturen von Robotern vorgeschlagen.
Zum Beispiel offenbart. die nachfolgend erwähnte Patentveröffentlichung 1 einen Roboter, bei welchem Drehwellen von Motorantriebsarmen parallel zu einer Mittelachse der Schwenkbewegung des Arms vorgesehen sind. Bei dieser Gelenkstruktur ist ein Gelenkabschnitt durch schwenkbares Abstützen eines zweiten Arms an dem vorderen Endabschnitt eines ersten Arms ausgebildet, der Motor ist an der Mittelachse der Schwenkbewegung in diesem Gelenkabschnitt angeordnet, und die Drehbewegung des Motors wird über einen Reduziermechanismus mit einem Getriebe und so weiter an den ersten oder zweiten Arm übertragen, um dadurch die Schwenkbewegung in Reaktion auf die Drehrichtung und Drehzahl des Motors auf diese Arme auszuüben.
Außerdem offenbaren die nachfolgend erwähnten Patentveröffentlichungen 2 und 3 Strukturen, bei welchen der erste und zweite Arm über einen Gelenkmechanismus schwenkbar miteinander verbunden sind, und der erste Arm wird in Bezug auf den zweiten Arm unter Verwendung einer Kugelumlaufspindel an einem Abschnitt dieses Gelenkmechanismus und Drehung der Kugelumlaufspindel durch Antreiben des Motors geschwenkt. Zum Beispiel ist bei einer in der Patentveröffentlichung 2 offenbarten Gelenkstruktur der zweite Arm in Bezug auf den ersten Arm schwenkbar abgestützt, jedoch ist der zweite Arm mit einer Schraubenspindel parallel zu dem zweiten Arm versehen, und die Schraubenspindel wird durch Antreiben des an dem zweiten Arm montierten Motors gedreht. Außerdem ist ein Mutterelement mit der oben genannten Schraubenspindel verschraubt, und ein Endabschnitt einer Gelenkplatte, der sich von dem ersten Arm erstreckt, ist mit dem Mutterelement drehbar verbunden. Gemäß dieser Struktur wird, wenn der Motor angetrieben wird, das Mutterelement an der Schraubenwelle entsprechend der Drehzahl und der Drehrichtung des Motors bewegt. Jedoch wirkt, da der Endabschnitt der Gelenkplatte mit diesem Mutterelement verbunden ist, eine Druck- oder Zugkraft in Reaktion auf die Bewegung des Mutterelements von der Gelenkplatte auf den zweiten Arm, wodurch der zweite Arm die Schwenkbewegung in Bezug auf den ersten Arm bewirkt.

Patentveröffentlichung 1: japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. HEI 05-092377.
Patentveröffentlichung 2: japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. HEI 10-217158.
Patentveröffentlichung 3: japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2002-113681.

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Die in der obigen Patentveröffentlichung 1 offenbarte Gelenkstruktur weist die Drehwelle des Motors parallel zu der Mittelachse der Schwenkbewegung auf, so dass die Struktur selbst sehr einfach gestaltet ist. Jedoch werden bei dieser Struktur der Motor und der Reduziermechanismus zum Antreiben der Arme weit außerhalb des Gelenkabschnitts expandiert, so dass diese Gelenkstruktur der Patentveröffentlichung 1 für eine Gelenkstruktur eines großen Industrieroboters geeignet ist, der nach Festigkeit und Wartungsverhalten bewertet wird, aber nicht für eine kleine Gelenkstruktur, wie eine Fingerstruktur einer mechanischen Hand oder dergleichen, geeignet ist.
Andererseits wird bei der in der obigen Patentveröffentlichung 2 offenbarten Gelenkstruktur die Gelenkplatte durch die Bewegung des Mutterelements in Verbindung mit der Drehung der Schraubenwelle gedrückt oder gezogen, wodurch der zweite Arm in Bezug auf den ersten Arm geschwenkt wird. Jedoch stimmt eine solche Druck- oder Zugkraft, die zum Zeitpunkt der Schwenkbewegung auf die Gelenkplatte wirkt, nicht mit der Bewegungsrichtung des Mutterelements überein. Aus diesem Grunde wirkt, wenn der zweite Arm die Schwenkbewegung durchführt, ein Biegemoment auf die Schraubenwelle, und dementsprechend wird keine ausreichende Kraft für die Schwenkbewegung des zweiten Arms ausgeübt, selbst wenn die Festigkeit der Schraubenwelle zum Beispiel durch einen größeren Wellendurchmesser erhöht wird, was daher ungünstig ist.
Darüber hinaus wirkt in einem Falle, wo Roboterfinger einer mechanischen Hand, die einen Gegenstand greift, unter Verwendung der in der Patentveröffentlichung 2 offenbarten Gelenkstruktur ausgebildet sind, eine Reaktionskraft, die zu dem Zeitpunkt des Greifens des Gegenstandes bewirkt wird, als ein Biegemoment über die Gelenkplatte auf die Schraubenwelle, so dass, wenn keine ausreichende Festigkeit der Schraubenwelle sichergestellt ist, der Roboterfinger keine ausreichende Greifkraft erreichen kann. Jedoch wird, wenn sich die Festigkeit der Schraubenwelle in Bezug auf das Biegemoment erhöht, die Gelenkstruktur selbst vergrößert und deren Gewicht erhöht. Daher ist es unmöglich, Roboterfinger mit geringer Größe und geringem Gewicht zu konstruieren, was ein Problem bildet. Außerdem ist es für solche Roboterfinger notwendig, die Kugelumlaufspindel als Antriebsmittel für jedes Gelenk anzuordnen, so dass sich die Anzahl von zu steuernden Objekten oder Teilen erhöht, was daher ungünstig ist.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Umstände erlangt, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Robotergelenkstruktur und (einen) Roboterfinger zu schaffen, die eine verbesserte sanfte Gelenkbewegung realisieren und eine verbesserte Greifkraft haben.
Mittel zum Erreichen des Ziels
Eine Robotergelenkstruktur der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: ein Mittelhandelement mit einer Bezugsfläche; eine mittelhandelementseitige Antriebseinheit, die an der Bezugsfläche derart montiert ist, dass sie ein bewegbares Element in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Bezugsfläche drückt oder zieht; ein proximales Element, das über ein Gelenk mit einem seitlichen Endabschnitt des Mittelhandelements schwenkbar verbunden ist; und eine Linearführungsvorrichtung für ein MP-Gelenk, die mit einem beweglichen Element versehen ist, das in Verbindung mit der Schwenkbewegung des proximalen Elements bewegbar ist, wobei das bewegbare Element und das bewegliche Element über einen Gelenkmechanismus miteinander verbunden sind, und das proximale Element entsprechend der Druck/Zugbewegung des bewegbaren Elements durch die mittelhandelementseitige Antriebseinheit geschwenkt wird.
Bei der Robotergelenkstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Mittelhandelement mit einer Linearführungsvorrichtung für das Mittelhandelement versehen sein, die mit dem bewegbaren Element verbunden ist und ein bewegliches Element aufweist, das in derselben Richtung wie die des bewegbaren Elements bewegbar ist, so dass die Linearführungsvorrichtung für das Mittelhandelement das bewegbare Element führt.
Ferner kann bei der Robotergelenkstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung der Gelenkmechanismus ein Drehlager, ein Lagergehäuse, das an dem beweglichen Element derart montiert ist, dass eine Außenlaufringseite des Drehlagers in dem Lagergehäuse fest aufgenommen ist, und eine Gelenkwelle aufweisen, die in einem Innenlaufring des Drehlagers derart drehbar eingesetzt ist, dass sie mit dem bewegbaren Element zu verbinden ist.
Noch darüber hinaus kann bei der Robotergelenkstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung die mittelhandelementseitige Antriebseinheit ein Luftzylinder sein, der eine Stange als ein bewegbares Element drückt oder zieht.
Nach einem anderen Aspekt ist eine Robotergelenkstruktur der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: ein proximales Element; ein Mittelhandelement, das über ein Gelenk mit dem proximalen Element schwenkbar verbunden ist; ein distales Element, das über ein Gelenk mit dem Mittelhandelement in derselben Richtung wie eine Schwenkrichtung des Mittelhandelements schwenkbar verbunden ist, wobei das Mittelhandelement eine mittelhandelementseitige Antriebseinheit, die das bewegbare Element drückt oder zieht, und eine Antriebsstange aufweist, die mit dem bewegbaren Element verbunden ist und in derselben Richtung wie die des bewegbaren Elements in Verbindung mit deren Druck- oder Zugbewegung bewegt wird, das proximale Element und das distale Element mit einer Linearführungsvorrichtung für ein PIP-Gelenk bzw. einer Linearführungsvorrichtung für ein DIP-Gelenk versehen sind, die an verbindungsseitigen Flächen, die mit dem Mittelhandelement zu verbinden sind, bewegliche Elemente aufweisen, die in Verbindung mit ihren Eigenschwenkbewegungen bewegbar sind, und beide Endabschnitte der Antriebsstange über jeweilige Gelenkmechanismen mit den beweglichen Elementen der Linearführungsvorrichtungen für das PIP-Gelenk bzw. das DIP-Gelenk verbunden sind, so dass das proximale Element und das distale Element in Verbindung mit der Druck/Zugbewegung des bewegbaren Elements durch die mittelhandelementseitige Antriebseinheit geschwenkt werden.
Darüber hinaus kann bei der Robotergelenkstruktur gemäß der obigen vorliegenden Erfindung das Mittelhandelement mit einer Linearführungsvorrichtung für das Mittelhandelement versehen sein, die mit dem bewegbaren Element verbunden ist und ein bewegliches Element aufweist, das in derselben Richtung wie die des bewegbaren Elements bewegbar ist, so dass die Linearführungsvorrichtung für das Mittelhandelement das bewegbare Element führt.
Noch darüber hinaus kann bei der Robotergelenkstruktur gemäß der obigen vorliegenden Erfindung der Gelenkmechanismus ein Drehlager, ein Lagergehäuse, das an dem beweglichen Element derart montiert ist, dass eine Außenlaufringseite des Drehlagers in dem Lagergehäuse fest aufgenommen ist, und eine Gelenkwelle aufweisen, die in einem Innenlaufring des Drehlagers derart drehbar eingesetzt ist, dass sie mit dem bewegbaren Element zu verbinden ist.
Noch darüber hinaus kann bei der Robotergelenkstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung die mittelhandelementseitige Antriebseinheit ein Luftzylinder sein, der eine Stange als das bewegbare Element drückt oder zieht.
Außerdem kann es möglich sein, einen Roboterfinger zu schaffen, der in Kombination die Robotergelenkstruktur nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die Robotergelenkstruktur nach einer anderen Ausführungsform der oben erwähnten vorliegenden Erfindung aufweist.
Ferner ist auch anzumerken, dass bei der obigen vorliegenden Erfindung nicht alle notwendigen Merkmale der vorliegenden Erfindung vorgetragen sind, und Unterkombinationen dieser Merkmale bilden die vorliegende Erfindung.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Betrieb einer Gelenkstruktur wie ein menschlicher Finger realisiert werden, und außerdem können eine Robotergelenkstruktur und ein Roboterfinger mit verbesserter Greifkraft geschaffen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine Seitenansicht, die einen Roboterfinger gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt und insbesondere den Roboterfinger in seiner Ausgangsposition zeigt.
1B ist eine Seitenansicht des Roboterarms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher der Roboterfinger von der in 1A gezeigten Position in eine Position angetrieben ist, die zum Greifen eines Gegenstandes geeignet ist.
2 ist eine perspektivische Seitenansicht zur Erläuterung einer ersten Robotergelenkstruktur gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3A ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer üblichen Linearführungsvorrichtung zeigt, bei welcher die vorliegende Ausführungsform vorzugsweise anwendbar ist.
3B ist eine Ansicht, die eine Struktur eines Gelenkmechanismus gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine perspektivische Seitenansicht zur Erläuterung einer zweiten Robotergelenkstruktur gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung der zweiten Robotergelenkstruktur gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Ansicht, die eine Knochenstruktur einer menschlichen Hand zur Erläuterung jeweiliger Teile von Fingern zeigt.

10: Mittelhandglied
11: MP-Gelenk
12: proximales Glied
13: PIP-Gelenk
14: mittleres Glied
15: DIP-Gelenk
16: distales Glied
20: Mittelhand
22: proximales Segment
24: mittleres Segment
26: distales Segment
30: Mittelhandelement
30a: Bezugsfläche
31, 61, 71: Gelenk
32, 62: Luftzylinder
32a, 62a: Stange
40: proximales Element
40a, 40b, 70a: verbindungsseitige Endfläche
42, 46, 55, 64, 72: bewegliches Element
42a: ausgesparte Nut
43, 56, 65: Laufschiene
43a: Kugellaufrille
44: Linearführungsvorrichtung für MP-Gelenk
45: Kugel
48: Linearführungsvorrichtung für PIP-Gelenk
50, 69, 75: Gelenkmechanismus
51: Drehlager
52: Lagergehäuse
53, 58: Verbindungselement
54: Gelenkwelle
57: Linearführungsvorrichtung für Mittelhand
63: Antriebsstange
66: Linearführungsvorrichtung für mittleres Segment
70: distales Element
74: Linearführungsvorrichtung für DIP-Gelenk

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. Die folgende Ausführungsform begrenzt die Erfindung nicht auf jene, die in den jeweiligen Ansprüchen vorgetragen ist, und alle Kombinationen von kennzeichnenden Merkmalen, die in der Ausführungsform beschrieben sind, sind nicht als Mittel zum Erreichen der Erfindung wesentlich.
Die 1A und 1B sind Ansichten, welche die Seitenfläche eines Roboterfingers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, und speziell zeigt 1A einen Zustand, in dem der Roboterfinger in seiner Ausgangsposition positioniert ist, und 1B zeigt einen Zustand, in dem der Roboterfinger in eine Position angetrieben und bewegt ist, in welcher er einen Gegenstand greift.
Der Roboterfinger gemäß der Ausführungsform ist mit zwei Antriebsmitteln versehen, so dass der Roboterfinger aus zwei Arten von Robotergelenkstrukturen gebildet ist.
Zuerst ist eine erste Robotergelenkstruktur durch ein Zeichen „α" in 1A bezeichnet, welche einer Mittelhand 20, einem MP-Gelenk 11 und einem proximalen Segment 22 eines menschlichen Fingers entspricht. Andererseits ist eine zweite Robotergelenkstruktur durch ein Zeichen „β" in 1A bezeichnet, welche dem proximalen Segment 22, einem PIP-Gelenk 13, einem mittleren Segment 24, einem DIP-Gelenk 15 und einem distalen Segment 26 entspricht. Diese erste und zweite Robotergelenkstruktur sind jeweils mit unabhängigen Antriebsmitteln versehen, um die Antriebsbewegungen an die erste und zweite Robotergelenkstruktur abzugeben, damit sie wie menschliche Finger betrieben werden können. Diese Robotergelenkstrukturen werden nachfolgend jeweils beschrieben.
[Erste Robotergelenkstruktur]
2 ist eine perspektivische Seitenansicht zur Erläuterung der ersten Robotergelenkstruktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die erste Robotergelenkstruktur der vorliegenden Ausführungsform ist mit dem Mittelhandelement 30, das eine Bezugsfläche 30a aufweist, und einem proximalen Element 40 versehen, das über ein Gelenk 31 mit dem seitlichen Endabschnitt des Mittelhandelements 30 schwenkbar verbunden ist. Im Vergleich entspricht das Mittelhandelement 30 der Mittelhand einer menschlichen Fingerstruktur, das Gelenk 31 entspricht dem MP-Gelenk 11, und das proximale Element 40 entspricht dem proximalen Segment 22.
Ein Luftzylinder 32 ist an der Bezugsfläche 30a des Mittelhandelements 30 als Mittelhandsegment-Antriebsmittel montiert, das geeignet ist, eine Stange 32a als bewegbares Element in einer Richtung etwa parallel zu der Bezugsfläche 30a zu drücken oder zu ziehen. Dieser Luftzylinder 32 arbeitet derart, dass die Stange 32a durch Luftzuführung nach vorn gedrückt wird und durch Luftabsaugung nach hinten gezogen wird.
Andererseits ist an der seitlichen Endfläche 40a des proximalen Elements 40, das mit dem Mittelhandelement 30 zu verbinden ist, eine Linearführungsvorrichtung 44 für das MP-Gelenk montiert, das mit einem beweglichen Element 42 versehen ist, das entsprechend der Schwenkbewegung des proximalen Elements 40 bewegbar ist. Diese Linearführungsvorrichtung 44 für das MP-Gelenk verwendet vorzugsweise eine übliche Linearführungsvorrichtung, wie zum Beispiel in 3A gezeigt ist.
In dem Falle, wo die in 3A gezeigte Linearführungsvorrichtung angewendet wird, wird zuerst eine in einer rechteckigen Querschnittsform ausgebildete Laufschiene 43 durch Verbindungsmittel, wie einer Schraube, an der verbindungsseitigen Endfläche 40a des proximalen Elements 40 befestigt. Hierbei sind Kugellaufrillen 43a, entlang welcher in der Längsrichtung Kugeln 45, 45, – rollen, an beiden Seitenflächen der Laufschiene 43 ausgebildet. Außerdem ist das bewegliche Element 42 derart ausgebildet, dass es eine Kanalform mit einer ausgesparten Nut 42a bildet, und die Laufschiene 43 ist frei in die ausgesparte Nut 42a eingesetzt. Ferner ist die ausgesparte Nut 42a an ihrer Innenfläche mit einer Lastlaufrille versehen, die der Kugellaufrille 43a der Laufschiene 43 gegenüberliegt, so dass eine auf die Laufschiene 43 und das bewegliche Element 42 wirkende Last getragen wird, während die Kugeln 45, 45, – zwischen der Kugellaufrille 43a der Laufschiene 43 und der Lastlaufrille des beweglichen Elements 42 rollen. Außerdem ist eine Endlosumlaufbahn der Kugeln 45, 45 – in dem beweglichen Element 42 ausgebildet, und durch die Zirkulation der Kugeln 45, 45, – in der Endlosumlaufbahn kann das bewegliche Element 42 in der Axialrichtung in Bezug auf die Laufschiene 43 bewegt werden.
Ferner ist die für die vorliegende Ausführungsform verwendete Linearführungsvorrichtung 44 für das MP-Gelenk in einer Neigung in Bezug auf die Bezugsfläche 30a des Mittelhandelements 30 festgelegt. Dies ist deshalb, weil die Ausgangsposition des proximalen Elements 40 der vorliegenden Ausführungsform derart festgelegt ist, dass sie schräg nach unten gerichtet ist, wie in 1A gezeigt ist, und unter Berücksichtigung der sanften Schwenkbewegung des proximalen Elements 40 festgelegt ist. Der Einstellwinkel der Linearführungsvorrichtung 44 für das MP-Gelenk wird optional entsprechend der Gesamtkonstruktion der Robotergelenkstruktur und eines zu greifenden Gegenstandes festgelegt.
Darüber hinaus sind bei der ersten Robotergelenkstruktur dieser Ausführungsform die Stange 32a und das bewegliche Element 42 über einen Gelenkmechanismus 50 miteinander verbunden. Dieser Gelenkmechanismus 50 weist ein Lagergehäuse, das ein Drehlager 51 aufnimmt, und eine Gelenkwelle 54 auf, die mit dem Drehlager 51 verbunden ist. Der Gelenkmechanismus 50 wird ferner ausführlich mit Bezug auf die 2 und 3B erläutert. Das heißt, das Lagergehäuse 52 ist an dem beweglichen Element 42 fest montiert, und das Drehlager 51 ist in dem Lagergehäuse 52 in einem Zustand aufgenommen, in dem ein Außenlaufringseite festgelegt ist. Andererseits ist die Gelenkwelle 54, die über das Verbindungselement 53 mit der Stange 32a verbunden ist, an der Seite der Stange 32a derart angeordnet, dass die Gelenkwelle in ein Innenlaufring des Drehlagers 51 drehbar eingesetzt ist. Daher wird die Druckkraft von der Stange 32a oder die Rückzugskraft zu dieser über die Gelenkwelle 54 an das Drehlager übertragen, welche dann an das bewegliche Element 42 übertragen wird.
Gemäß den oben genannten Strukturen wird das proximale Element 40 entsprechend der Druck/Zugbewegung der Stange 32a des Luftzylinders 32 geschwenkt. Das heißt, wenn die Stange 32a durch Zuführung von Luft nach vorn gedrückt wird, wird das bewegliche Element 42 der Druckkraft von der Stange 32a ausgesetzt, und entsprechend dieser Druckkraft wird das proximale Element 40 in einer Pfeilrichtung A geschwenkt, wobei das Gelenk 31 der Drehmittelpunkt ist (siehe 2). Dann wird die Druckkraft der Stange 32a über den Gelenkmechanismus 50 an das bewegliche Element 42 übertragen, und das bewegliche Element 42 bewegt sich in Verbindung mit der Schwenkbewegung des proximalen Elements 40, wodurch die sanfte Schwenkbewegung des proximalen Elements 40 realisiert wird.
Im Gegensatz dazu ist, wenn die Stange 32a durch die Ansaugung der Luft nach hinten gezogen wird, das bewegliche Element 42 der Rückzugskraft von der Stange 32a ausgesetzt, und entsprechend dieser Rückzugskraft wird das proximale Element 40 in einer Pfeilrichtung B geschwenkt, wobei das Gelenk 31 der Drehmittelpunkt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird gleichermaßen die Rückzugskraft der Stange 32a über den Gelenkmechanismus 50 an das bewegliche Element 42 übertragen, und das bewegliche Element 42 bewegt sich in Verbindung mit der Schwenkbewegung des proximalen Elements 40, wodurch die sanfte Schwenkbewegung des proximalen Elements 40 realisiert wird.
Darüber hinaus ist eine Linearführungsvorrichtung 57 für das Mittelhandelement 30, die mit dem beweglichen Element 55 bewegbar in derselben Richtung in Verbindung mit der Stange 32a versehen ist, für das Mittelhandelement der ersten Robotergelenkstruktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen. Für diese Linearführungsvorrichtung 57 für das Mittelhandelement ist es bevorzugt, eine übliche Linearführungsvorrichtung anzuwenden, wie in 3A gezeigt ist. In einem spezielleren Beispiel ist, wie in 2 gezeigt, die Laufschiene 56, die für die Linearführungsvorrichtung 57 für das Mittelhandelement vorgesehen ist, an dem Körper des Luftzylinders 32 befestigt. Ferner sind die Stange 32a und das bewegliche Element 55 über das Verbindungselement 58 miteinander verbunden, und das bewegliche Element 55 ist derart ausgebildet, dass es in derselben Richtung wie die der Stange 32a entsprechend dem Druck/Zugbetrieb der Stange 32a bewegbar ist. Das bewegliche Element 55 nimmt einen Teil der Last oder des Moments entsprechend der Schwenkbewegung des proximalen Elements 40 auf, das an der Stange 32a angebracht ist. Das heißt, die Linearführungsvorrichtung 57 für das Mittelhandelement reduziert die Belastung, die auf die Stange 32a ausgeübt wird, und trägt zu dem stabilen Betrieb der ersten Robotergelenkstruktur bei.
[Zweite Robotergelenkstruktur]
Nachfolgend wird die zweite Robotergelenkstruktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben.
4 ist eine perspektivische Seitenansicht zur Erläuterung der zweiten Robotergelenkstruktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform, und 5 ist eine schiefe perspektivische Ansicht zur Erläuterung der zweiten Robotergelenkstruktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die zweite Robotergelenkstruktur weist das proximale Element 40, das mittlere Element 60, das über das Gelenk 61 mit dem proximalen Element 40 schwenkbar verbunden ist, und das distale Element 70 auf, das über das Gelenk 71 mit dem mittleren Element 60 in derselben Richtung wie die Schwenkrichtung des mittleren Elements 60 schwenkbar verbunden ist. Diese Elemente und Segmente entsprechen dem menschlichen Finger oder Fingerteilen derart, dass das proximale Segment 40 dem proximalen Abschnitt 22 entspricht, das Gelenk 61 dem PIP-Gelenk 13 entspricht, das mittlere Element 60 dem mittleren Segment 24 entspricht, das Gelenk 71 dem DIP-Gelenk 15 entspricht, und das distale Element 70 dem distalen Segment 26 entspricht.
Das mittlere Element 60 ist mit einem Luftzylinder 62 als ein mittelelementseitiges Antriebsmittel, das die Druck/Zugbewegung einer Stange 62a als ein bewegliches Element durchführt, und einer Antriebsstange 63 versehen, die mit der Stange 62a verbunden und in derselben Richtung in Verbindung mit der Druck/Zugbewegung der Stange 62a bewegbar ist. Der Luftzylinder 62 drückt die Stange 62a durch Zuführung der Luft, und die Stange 62a wird durch die Absaugung der Luft zurückgezogen. Ferner ist gleichzeitig ein bewegliches Element 64, das in derselben Richtung wie die der Antriebsstange 63 bewegbar ist, mit der Antriebsstange 63 verbunden. Dieses bewegliche Element 64 ist ein Element, das an einer Antriebsschiene 65 bewegbar ist, die an dem mittleren Element 60 fest platziert ist, und bildet zusammen mit der Antriebsschiene 65 die Linearführungsvorrichtung 66 für das mittlere Element. Das bewegliche Element 64 führt die Bewegung der Antriebsstange 63 und realisiert die stabile Bewegung in Verbindung mit der Stange 62a.
Darüber hinaus sind das proximale Element 40 und das distale Element 70, die an beiden Enden derart angeordnet sind, dass sie das mittlere Element 60 dazwischen aufnehmen, mit der PIP-Gelenk-Linearführungsvorrichtung 48 bzw. der DIP-Gelenk-Linearführungsvorrichtung 74 versehen, welche mit den verbindungsseitigen Endflächen 40b bzw. 70a und den beweglichen Elementen 46 bzw. 72 versehen sind, die entsprechend der Eigenschwenkbewegung bewegbar sind. Die beiden Endabschnitte der Antriebsstange 63 sind über Gelenkmechanismen 69 bzw. 75 mit den beweglichen Elementen 46 bzw. 72 verbunden, die für diese PIP-Gelenk-Linearführungsvorrichtung 48 bzw. die DIP-Gelenk-Linearführungsvorrichtung 74 vorgesehen sind.
Das heißt, wenn die Stange 62a durch die Zuführung der Luft herausgedrückt wird, bewegt sich die Antriebsstange 63 in der Zeichnung von 4 auf die linke Seite, so dass das bewegliche Element 46 die Rückzugskraft an der Seite des proximalen Elements 40 aufnimmt und sich in der Zeichnung in Abwärtsrichtung nach unten bewegt, und infolgedessen wird das proximale Element 40 in einer Pfeilrichtung C geschwenkt, wobei das Gelenk 61 der Mittelpunkt dieser Schwenkbewegung ist. Andererseits ist an der Seite des distalen Elements 70 das bewegliche Element 72 der Ausdrückkraft ausgesetzt und bewegt sich in der Zeichnung in Aufwärtsrichtung, und infolgedessen wird das distale Element 70 in einer Pfeilrichtung E geschwenkt, wobei das Gelenk 71 der Mittelpunkt dieser Schwenkbewegung ist. Zu diesem Zeitpunkt werden die Rückzugskraft und die Ausdrückkraft der Antriebsstange 63 über die Gelenkmechanismen 69 bzw. 75 an die beweglichen Elemente 46 bzw. 72 übertragen, und die beweglichen Elemente 46 und 72 können in Reaktion auf die Schwenkbewegungen des proximalen Elements 40 und des distalen Elements 70 bewegt werden, wodurch die sanften Schwenkbewegungen des proximalen Elements 40 und des distalen Elements 70 realisiert werden.
Im Gegensatz dazu bewegt sich, wenn die Stange 62a durch die Ansaugung der Luft zurückgezogen wird, die Antriebsstange 63 in der Zeichnung nach rechts in den in 4 gezeigten Zustand, so dass das bewegliche Element 46 an der Seite des proximalen Elements 40 die Druckkraft aufnimmt und somit in der Zeichnung in Aufwärtsrichtung in den in 4 gezeigten Zustand bewegt wird. Infolgedessen schwenkt das proximale Element 40 in einer Pfeilrichtung D, wobei das Gelenk 61 der Mittelpunkt der Drehung ist. Andererseits wird an der Seite des distalen Elements 70 die Rückzugskraft auf das bewegliche Element 72 ausgeübt, welches dann in der Zeichnung in Abwärtsrichtung bewegt wird, und infolgedessen wird das distale Element 70 in einer Pfeilrichtung F geschwenkt, wobei das Gelenk 71 der Mittelpunkt der Drehung ist. Zu diesem Zeitpunkt sind die beweglichen Elemente 46 und 72 durch den Betrieb der Gelenkmechanismen 69 bzw. 75 den Ausdrück- und Rückzugskräften der Antriebsstange 63 ausgesetzt, und die beweglichen Elemente 46 und 72 können entsprechend den Schwenkbewegungen des proximalen Elements 40 und des distalen Elements 70 bewegt werden, wodurch die sanfte Schwenkbewegung des proximalen Elements 40 und des distalen Elements 70 realisiert wird.
Ferner haben die Gelenkmechanismen 69 und 75 im Wesentlichen dieselben Strukturen wie die des Gelenkmechanismus 50, der in Bezug auf die erste Robotergelenkstruktur erwähnt ist, so dass deren ausführliche Erläuterungen hierin weggelassen werden. Wie bei der ersten Robotergelenkstruktur ist es bevorzugt, eine übliche Linearführungsvorrichtung anzuwenden, wie in 3A gezeigt ist, die für die Linearführungsvorrichtung 48 für das PIP-Gelenk, die Linearführungsvorrichtung 66 für das mittlere Segment und die Linearführungsvorrichtung 74 für das DIP-Gelenk benutzt wird.
[Roboterfinger]
Vorstehend sind zwei Arten von Robotergelenkstrukturen der ersten und zweiten Robotergelenkstruktur als beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Im Übrigen sind die jeweiligen Robotergelenkstrukturen mit dem gemeinsamen proximalen Element 40 versehen, und diese erste und zweite Robotergelenkstruktur kann mittels dieses gemeinsamen proximalen Elements 40 zum Beispiel in einen Roboterfinger mit einer in den 1A und 1B gezeigten Struktur eingebaut werden.
Das heißt, das Mittelhandelement 30, das Gelenk 31, das proximale Element 40, das Gelenk 71 und das distale Element realisieren die menschliche Fingerstruktur des Mittelhandsegments 20, des MP-Gelenks 11, des proximalen Segments 22, des PIP-Gelenks 13, des Mittelhandsegments 24, des DIP-Gelenks 15 und des distalen Segments 26, und die Funktionen von Muskelfasern der Finger werden durch die beiden Luftzylinder 32, 62, die Antriebsstange 63, die Gelenkmechanismen 50, 69, 75 und die fünf Linearführungsvorrichtungen 44, 48, 57, 66, 74 erreicht.
Bei der ersten und zweiten Robotergelenkstruktur und den Roboterfingern der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform ist das Beispiel erläutert, das die Luftzylinder 32 und 62 als Antriebsmittel anwendet. Eine solche Anwendung der Luftzylinder 32, 62 wird aus der Tatsache abgeleitet, dass eine starke Greifkraft relativ leicht erreichbar ist. Ferner ist bei den Luftzylindern 32, 62, obwohl die Robotergelenkstruktur und die Bewegung der Roboterfinger auf die beiden Vorgänge des „Greif" und „Freigabe" Betriebs beschränkt sind, das bei der vorliegenden Erfindung anwendbare Antriebsmittel nicht auf die Luftzylinder 2, 62 beschränkt. Zum Beispiel kann ein Antriebsmechanismus, wie ein elektrischer Zylinder, Motor und dergleichen, angewendet werden. Zum Beispiel kann im Falle der Anwendung eines Schrittmotors eine Robotergelenkstruktur realisiert werden, die im Wartungsverhalten und der Positionssteuerung hervorragend ist.
Darüber hinaus kann das Antriebsmittel an der Seite des Mittelhandelements und der Seite des mittleren Segments denselben Steuerungsvorgang oder unterschiedliche Steuerungsvorgänge durchführen. Zum Beispiel können wie in der vorliegenden Ausführungsform in dem Falle, wo die Luftzylinder 32, 62 verwendet werden, vier Arten von Vorgängen, wie „Greifen" durch die gleichzeitige Luftzuführung (in 1B gezeigter Zustand), „Freigeben" durch die gleichzeitige Luftabsaugung (in 1A gezeigter Zustand), „bloßes Biegen des Roboterfingerwurzelabschnitts" durch die bloße Luftzuführung zu dem Luftzylinder 32, und „bloßes Biegen des Roboterfingerendabschnitts" durch die bloße Luftzuführung zu dem Luftzylinder 62, erreicht werden. Außerdem kann durch Anwenden eines Motors oder dergleichen als das Antriebsmittel mit hoher Betriebsstoppleistung und hoher Reaktionsrate der Roboterbetrieb, der mehr dem menschlichen Fingerbetrieb gleicht, realisiert werden.
Vorstehend ist, obwohl die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, der technische Bereich der beschriebenen Ausführungsform nicht auf deren beschriebenen Umfang beschränkt, und verschiedene Alternativen oder Änderungen können bei der Ausführungsform angewendet werden. Zum Beispiel ist bei der vorliegenden Ausführungsform, obwohl der Roboterfinger von den Luftzylindern, den Linearführungsvorrichtungen und den Gelenkmechanismen gebildet wird, ein Umfang oder Bereich, bei welchem die technische Idee der vorliegenden Erfindung anwendbar ist, nicht auf die menschliche Fingerstruktur beschränkt, und es kann möglich sein, diese auf jede Gelenkstruktur, einschließlich einer unteren Beinstruktur mit Fuß, Fußgelenk oder dergleichen, und ein tierische Gelenkstruktur anzuwenden. Es ist ferner aus der Darlegung der beigefügten Ansprüche ersichtlich, dass Ausführungsformen mit den obigen Alternativen oder Veränderungen in die technischen Bereiche der vorliegenden Erfindung einbezogen werden können.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Robotergelenkstruktur α wird von einem Mittelhandelement 30 und einem proximalen Element 40 gebildet, das über ein Gelenk 31 mit einem seitlichen Endabschnitt des Mittelhandelements 30 schwenkbar verbunden ist. Das proximale Element 40 weist eine Linearführungsvorrichtung 44 für ein MP-Gelenk mit einem beweglichen Element auf, das in Verbindung mit dessen Eigenschwenkbewegung bewegbar ist, und durch Verbinden einer Stange 32a und des beweglichen Elements über einen Gelenkmechanismus 50 wird eine Antriebskraft eines Luftzylinders 32 an das proximale Element 40 übertragen. Andererseits ist eine zweite Robotergelenkstruktur β auch mit Linearführungsvorrichtungen 48, 66, 74 und Gelenkmechanismen 69, 75 versehen, an welche eine Antriebskraft des Luftzylinders 62 über eine Antriebsstange 63 in Verbindung mit einer Stange 62a übertragen wird. Ein Roboterfinger wird durch die erste und zweite Robotergelenkstruktur gebildet. Gemäß derartigen Strukturen kann eine sanfte Gelenkbewegung realisiert werden, und die Robotergelenkstruktur und der Roboterfinger mit verbesserter Greifkraft können geschaffen werden.

Claims

Robotergelenkstruktur, aufweisend: ein Mittelhandelement mit einer Bezugsfläche; eine mittelhandelementseitige Antriebseinheit, die an der Bezugsfläche derart montiert ist, dass sie ein bewegbares Element in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Bezugsfläche drückt oder zieht; ein proximales Element, das über ein Gelenk mit einem seitlichen Endabschnitt des Mittelhandelements schwenkbar verbunden ist; und eine Linearführungsvorrichtung für ein MP-Gelenk, die mit einem beweglichen Element versehen ist, das in Verbindung mit der Schwenkbewegung des proximalen Elements bewegbar ist, wobei das bewegbare Element und das bewegliche Element über einen Gelenkmechanismus miteinander verbunden sind, und das proximale Element entsprechend der Druck/Zugbewegung des bewegbaren Elements durch die mittelhandelementseitige Antriebseinheit geschwenkt wird.
Robotergelenkstruktur nach Anspruch 1, wobei das Mittelhandelement mit einer Linearführungsvorrichtung für das Mittelhandelement versehen ist, die mit dem bewegbaren Element verbunden ist und ein bewegliches Element aufweist, das in derselben Richtung wie die des bewegbaren Elements bewegbar ist, so dass die Linearführungsvorrichtung für das Mittelhandelement das bewegbare Element führt.
Robotergelenkstruktur nach Anspruch 1, wobei der Gelenkmechanismus ein Drehlager, ein Lagergehäuse, das an dem beweglichen Element derart montiert ist, dass eine Außenlaufringseite des Drehlagers in dem Lagergehäuse fest aufgenommen ist, und eine Gelenkwelle aufweist, die in einem Innenlaufring des Drehlagers derart drehbar eingesetzt ist, dass sie mit dem bewegbaren Element zu verbinden ist.
Robotergelenkstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mittelhandelementseitige Antriebseinheit ein Luftzylinder ist, der eine Stange als das bewegbare Element drückt oder zieht.
Robotergelenkstruktur, aufweisend: ein proximales Element; ein Mittelhandelement, das über ein Gelenk mit dem proximalen Element schwenkbar verbunden ist; ein distales Element, das über ein Gelenk mit dem Mittelhandelement in derselben Richtung wie eine Schwenkrichtung des Mittelhandelements schwenkbar verbunden ist, wobei das Mittelhandelement eine mittelhandelementseitige Antriebseinheit, die das bewegbare Element drückt oder zieht, und eine Antriebsstange aufweist, die mit dem bewegbaren Element verbunden ist und in derselben Richtung wie die des bewegbaren Elements in Verbindung mit deren Druck- oder Zugbewegung bewegt wird, das proximale Element und das distale Element mit einer Linearführungsvorrichtung für ein PIP-Gelenk bzw. einer Linearführungsvorrichtung für ein DIP-Gelenk versehen sind, die an verbindungsseitigen Flächen, die mit dem Mittelhandelement zu verbinden sind, bewegliche Elemente aufweisen, die in Verbindung mit ihren Eigenschwenkbewegungen bewegbar sind, und beide Endabschnitte der Antriebsstange über jeweilige Gelenkmechanismen mit den beweglichen Elementen der Linearführungsvorrichtungen für das PIP-Gelenk bzw. das DIP-Gelenk verbunden sind, so dass das proximale Element und das distale Element in Verbindung mit der Druck/Zugbewegung des bewegbaren Elements durch die mittelhandelementseitige Antriebseinheit geschwenkt werden.
Robotergelenkstruktur nach Anspruch 5, wobei das Mittelhandelement mit einer Linearführungsvorrichtung für das Mittelhandelement versehen ist, die mit dem bewegbaren Element verbunden ist und ein bewegliches Element aufweist, das in derselben Richtung wie die des bewegbaren Elements bewegbar ist, so dass die Linearführungsvorrichtung für das Mittelhandelement das bewegbare Element führt.
Robotergelenkstruktur nach Anspruch 5, wobei der Gelenkmechanismus ein Drehlager, ein Lagergehäuse, das an dem beweglichen Element derart montiert ist, dass eine Außenlaufringseite des Drehlagers in dem Lagergehäuse fest aufgenommen ist, und eine Gelenkwelle aufweist, die in einem Innenlaufring des Drehlagers derart drehbar eingesetzt ist, dass sie mit dem bewegbaren Element zu verbinden ist.
Robotergelenkstruktur nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die mittelhandelementseitige Antriebseinheit ein Luftzylinder ist, der eine Stange als das bewegbare Element drückt oder zieht.
Roboterfinger, aufweisend in Kombination die Robotergelenkstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und die Robotergelenkstruktur nach einem der Ansprüche 5 bis 8.