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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Roboterhand-Fingermechanismus
und befasst sich im Spezielleren mit einer Verbesserungstechnik zum
Reduzieren der Größe und der Kosten.
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Einschlägiger Stand
der Technik
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Die
in den Patentdokumenten 1 und 2 offenbarten Roboterhände
sind von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung als Roboterhände
zum Greifen und Handhaben von Gegenständen vorgeschlagen
worden. Mit einem Roboterhand-Fingermechanismus, wie den in diesen
Patentdokumenten offenbarten, kann die Kraft zum antriebsmäßigen
Bewegen des Fingers in einer Öffnungsrichtung geringer sein
als die Kraft, die beim antriebsmäßigen Bewegen
des Fingers in einer Richtung zum Greifen eines Gegenstands erforderlich
ist, wobei ein großer Unterschied zwischen den erforderlichen
Kräften in Abhängigkeit von den Antriebsrichtungen
vorhanden ist. Ein elektromagnetischer Motor, der zum antriebsmäßigen
Bewegen eines Fingergelenks der Roboterhand verwendet wird, erzeugt
jedoch unabhängig von der Rotationsrichtung das gleiche
Drehmoment. Daher muss bei einem Roboterhand-Fingermechanismus ein
Aktuator verwendet werden, der zum Erzeugen des zum Greifen erforderlichen
Antriebsmoments in der Lage ist. In Fällen zum Beispiel,
in denen die Greifrichtung ein Antriebsmoment erforderlich macht,
das drei Mal größer ist als das in Öffnungsrichtung
erforderliche Drehmoment, muss ein Aktuator integriert werden, der
in der Lage ist, das dreifache Antriebsmoment zu erzeugen. Zum Reduzieren
der Größe und der Kosten eines Roboterhand-Fingermechanismus
ist es effektiv, die Größe und die Kapazität
des Aktuators zum antriebsmäßigen Bewegen des
Fingermechanismus in der Greifrichtung und der Öffnungsrichtung
zu reduzieren.
- [Patentdokument 1] JPA 2006-26806
- [Patentdokument 2] JPA
2006-26807
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Offenbarung der Erfindung
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In
Anbetracht der vorstehenden Aspekte des Standes der Technik besteht
ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Roboterhand-Fingermechanismus,
bei dem sich die in Greifrichtung der Roboterhand erforderliche
Antriebskraft unter Verwendung eines Aktuators mit niedriger Ausgangsleistung
und kompakter Ausbildung erzielen lässt.
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Zum
Erreichen der vorstehend geschilderten Zielsetzung zeichnet sich
der Roboterhand-Fingermechanismus der vorliegenden Erfindung dadurch aus,
dass er Folgendes aufweist:
ein fingerbasisseitiges Fingerglied
und ein fingerspitzenseitiges Fingerglied, die einen Finger einer
Roboterhand bilden;
eine Fingergelenkwelle zum Verbinden des
fingerspitzenseitigen Fingerglieds mit dem fingerbasisseitigen Fingerglied
in einer derartigen Weise, dass dem fingerspitzenseitigen Fingerglied
eine Schwenkbewegung in einer Greifrichtung und einer Öffnungsrichtung
der Roboterhand ermöglicht ist;
ein Beaufschlagungselement
zum ständigen Beaufschlagen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds
mit einer vorbestimmten Kraft in der Greifrichtung; und
einen
Motor zum Veranlassen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds zum
Ausführen einer Schwenkbewegung um die Fingergelenkwelle
in der Greifrichtung und der Öffnungsrichtung.
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Eine
Schraubenfeder oder eine Torsionsfeder, die in Verbindung zwischen
dem fingerspitzenseitigen Fingerglied und dem fingerbasisseitigen
Fingerglied vorgesehen ist, kann als Beaufschlagungselement bzw.
Vorspannelement verwendet werden.
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Ein
Roboterhand-Fingermechanismus mit mehreren Gelenken ist dadurch
gekennzeichnet, dass er Folgendes aufweist:
ein fingerbasisseitiges
Fingerglied, mindestens ein mittleres Fingerglied sowie ein fingerspitzenseitiges Fingerglied,
die einen Finger einer Roboterhand bilden;
eine fingerspitzenseitige
Fingergelenkwelle zum Verbinden des fingerspitzenseitigen Fingerglieds
mit dem mittleren Fingerglied in einer derartigen Weise, dass dem
fingerspitzenseitigen Fingerglied die Ausführung einer
Schwenkbewegung in einer Greifrichung und einer Öffnungsrichtung
der Roboterhand ermöglicht ist;
eine fingerbasisseitige
Fingergelenkwelle zum Verbinden des mittleren Fingerglieds mit dem
fingerbasisseitigen Fingerglied in einer derartigen Weise, dass
dem mittlerem Fingerglied die Ausführung einer Schwenkbewegung
in der Greifrichtung und der Öffnungsrichtung der Roboterhand
ermöglicht ist;
ein fingerspitzenseitiges Beaufschlagungselement zum
ständigen Beaufschlagen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds
mit einer vorbestimmten Kraft in der Greifrichtung;
einen fingerspitzenseitigen
Motor zum Veranlassen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds zum
Ausführen einer Schwenkbewegung um die fingerspitzenseitige
Fingergelenkwelle in der Greifrichtung und der Öffnungsrichtung;
ein
fingerbasisseitiges Beaufschlagungselement zum ständigen
Beaufschlagen des mittleren Fingerglieds mit einer vorbestimmten
Kraft in der Greifrichtung; und
einen fingerbasisseitigen Motor
zum Veranlassen des mittleren Fingerglieds zum Ausführen
einer Schwenkbewegung um die fingerbasisseitige Fingergelenkwelle
in der Greifrichtung und der Öffnungsrichtung.
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Schraubenfedern
oder Torsionsfedern können als fingerspitzenseitiges Beaufschlagungselement
und fingerbasisseitiges Beaufschlagungselement verwendet werden.
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Bei
dem Roboterhand-Fingermechanismus gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das fingerspitzenseitige Fingerglied in dem Finger
der Roboterhand durch eine Schraubenfeder oder ein anderes Beaufschlagungselement
bzw. Vorspannelement konstant in der Greifrichtung der Roboterhand
vorgespannt. Hier wird der folgende Fall gegeben. Zum antriebsmäßigen
Bewegen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds in der Greifrichtung
ist eine Antriebskraft erforderlich, die das Dreifache der Öffnungs-Antriebskraft
beträgt, die zum antriebsmäßigen Bewegen
des fingerspitzenseitigen Fingerglieds in der Öffnungsrichtung
der Roboterhand erforderlich ist, und die Vorspannkraft des Vorspannelements
setzt das fingerspitzenseitige Fingerglied ständig einer
Antriebskraft aus, die gleich der Öffnungs-Antriebskraft ist,
die zum antriebsmäßigen Bewegen des fingerspitzenseitigen
Fingerglieds in der Öffnungsrichtung erforderlich ist.
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In
diesem Fall beträgt die Antriebskraft zum antriebsmäßigen
Bewegen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds in der Greifrichtung
vorzugsweise das Zweifache der Öffnungs-Antriebskraft,
die zum antriebsmäßigen Bewegen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds
in der Öffnungsrichtung erforderlich ist. Wenn das Fingerglied
in der Öffnungsrichtung antriebsmäßig
bewegt wird, muss das fingerspitzenseitige Fingerglied entgegen
der Beaufschlagungskraft des Vorspannelements antriebsmäßig
bewegt werden, wobei hierfür selbstverständlich
die zweifache Öffnungs-Antriebskraft erforderlich ist.
Somit kann das fingerspitzenseitige Fingerglied in der Greifrichtung
und der Öffnungsrichtung unter Verwendung eines Motors
antriebsmäßig bewegt werden, der zum Erzeugen
einer Antriebskraft in der Lage ist, die das Zweifache der Öffnungs-Antriebskraft
beträgt, und es besteht keine Notwendigkeit zur Verwendung
eines großen und teuren Motors, der zum Erzeugen der dreifachen
Antriebskraft in der Lage ist, so dass die Nutzungseffizienz des
Motors verbessert ist. Als Ergebnis hiervon lassen sich die Größe
und die Kosten des Fingermechanismus in effektiver Weise reduzieren.
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Die
gleichen betriebsmäßigen Effekte werden auch in
Fällen erzielt, in denen die vorliegende Erfindung bei
einem Roboterhand-Fingermechanismus mit mehreren Gelenken Anwendung
findet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Ansicht zur Erläuterung des Hauptbereichs eines Roboterhand-Fingermechanismus
mit einem einzigen Gelenk, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet
wird; und
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2 eine
Ansicht zur Erläuterung eines Beispiels, bei dem eine Zug-Schraubenfeder
anstelle der Torsions-Schraubenfeder bei dem Fingermechanismus der 1 verwendet
wird.
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Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Roboterhand-Fingermechanismus,
bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird, unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine Ansicht zur Erläuterung des Hauptbereichs bei einem
Roboterhand-Fingermechanismus gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel. Ein Fingermechanismus 1 einer
Roboterhand weist einen oder eine Mehrzahl von Fingern oder Fingereinheiten 2 auf,
wobei in der Zeichnung nur eine Fingereinheit dargestellt ist. Die
Fingereinheit 2 besitzt ein fingerspitzenseitiges Fingerglied 3, ein
fingerbasisseitiges Fingerglied 4 und einen Fingergelenkbereich 5 zum
Verbinden der Fingerglieder.
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Das
fingerspitzenseitige Fingerglied 3 ist zum Beispiel aus
einem langen dünnen Plattenelement gebildet, und ein hinterer
Endbereich 3b ist mit einer Fingergelenkwelle 6 des
Fingergelenkbereichs 5 fest verbunden, wobei sich der hintere
Endbereich 3b in einer zu einer Mittelachsenlinie 6a der
Fingergelenkwelle 6 orthogonalen Richtung erstreckt. Bei Rotation
der Fingergelenkwelle 6 führt das fingerspitzenseitige
Fingerglied 3 eine Schwenkbewegung um die Fingergelenkwelle 6 in
einer Greifrichtung A und einer Öffnungsrichtung B der
Roboterhand aus.
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Die
Fingergelenkwelle 6 des Fingergelenkbereichs 5 ist
durch einen vorderen bzw. äußeren Bereich 4a des
fingerbasisseitigen Fingerglieds 4 drehbar gehaltert. Der
Fingergelenkbereich 5 weist einen elektromagnetischen Motor 7 auf,
und die Fingergelenkwelle 6 wird durch den elektromagnetischen
Motor 7 rotationsmäßig angetrieben. Ein
hinterer Endbereich 4b des fingerbasisseitigen Fingerglieds 4 ist
in einem Bereich angebracht, der zum Beispiel die Handfläche
(nicht gezeigt) der Roboterhand bildet.
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Eine
Torsions-Schraubenfeder 8 ist auf der Fingergelenkwelle 6 derart
angeordnet, dass sie die äußere Umfangsfläche
der Welle in koaxialer Weise umgibt. Das eine Ende 8a der
Torsions-Schraubenfeder 8 ist mit einem Federzapfen 9 verbunden,
der an einer Seitenfläche eines vorderen Endbereichs 3a des
fingerspitzenseitigen Fingerglieds 3 festgelegt ist, und
das andere Ende 8b ist mit einem Federzapfen 10 verbunden,
der an einer Seitenfläche in einem Bereich in der Mitte
des fingerbasisseitigen Fingerglieds 4 zwischen dem vorderen
Endbereich 4aund dem hinteren Endbereich 4b festgelegt
ist. Die Torsions-Schraubenfeder 8 bewirkt, dass eine Federkraft das
fingerspitzenseitige Fingerglied 3 ständig in
der Greifrichtung A um die Fingergelenkwelle 6 vorspannt.
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Bei
dem Roboterhand-Fingermechanismus 1 mit dieser Konfiguration
beträgt die Antriebskraft, die zum antriebsmäßigen
Bewegen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds 3 in der
Greifrichtung A erforderlich ist, das Dreifache der Antriebskraft,
die zum antriebsmäßigen Bewegen des fingerspitzenseitigen
Fingerglieds 3 in der Öffnungsrichtung B der Roboterhand
erforderlich ist. Die Federkraft der Torsions-Schraubenfeder 8 bewirkt
ferner, dass das fingerspitzenseitige Fingerglied 3 ständig
einem Antriebsmoment ausgesetzt ist, das gleich dem Antriebsmoment
ist, das zum antriebsmäßigen Bewegen des fingerspitzenseitigen
Fingerglieds 3 in der Öffnungsrichtung B erforderlich
ist.
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Hierbei
kann das Antriebsmoment zum antriebsmäßigen Bewegen
des fingerspitzenseitigen Fingerglieds 3 in der Greifrichtung
A das Zweifache des Antriebsmoments zum antriebsmäßigen
Bewegen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds 3 in der Öffnungsrichtung
B betragen. Wenn das fingerspitzenseitige Fingerglied 3 in
der Öffnungsrichtung B antriebsmäßig
bewegt wird, muss das fingerspitzenseitige Fingerglied 3 entgegen
der Federkraft der Torsions-Schraubenfeder 8 antriebsmäßig
bewegt werden; wie erkennbar ist, ist somit das zweifache Antriebsmoment
erforderlich. Das fingerspitzenseitige Fingerglied 3 kann
somit unter Verwendung des elektromagnetischen Motors 7,
der zum Erzeugen des zweifachen Antriebsmoments in der Lage ist,
in der Greifrichtung A und der Öffnungsrichtung B antriebsmäßig
bewegt werden. Da somit keine Notwendigkeit für die Verwendung
eines großen und teuren Motors besteht, der zum Erzeugen
des dreifachen Antriebsmoments in der Lage ist, wie dies herkömmlicherweise üblich
ist, ist die Nutzungseffizienz des Motors verbessert, und es wird
eine effektive Reduzierung der Kosten und der Größe
des Fingermechanismus erzielt.
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2 zeigt
eine Ansicht zur Erläuterung des Hauptbereichs eines Roboterhand-Fingermechanismus
in einem Fall, in dem eine Zug-Schraubenfeder als Beaufschlagungselement
zum Beaufschlagen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds 3 in
der Greifrichtung verwendet wird. Wie in der Zeichnung gezeigt ist,
ist eine Zug-Schraubenfeder 8A in einem gespannten Zustand
zwischen einem Federzapfen 9A, der an der Seitenfläche
des hinteren Endbereichs 3b des fingerspitzenseitigen Fingerglieds 3 angebracht
ist, und einem Federzapfen 10A befestigt, der an der Seitenfläche
des hinteren Bereichs 4b des fingerbasisseitigen Fingerglieds 4 angebracht
ist. Der Fingermechanismus 1A der Roboterhand mit der vorstehend
beschriebenen Konfiguration erzielt die gleichen betriebsmäßigen
Wirkungen wie der in 1 gezeigte Fingermechanismus 1.
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Bei
den vorstehenden beschriebenen Beispielen handelt es sich um Beispiele
einer Fingereinheit mit einem einzigen Gelenk, wobei es sich jedoch versteht,
dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auch bei einem
Fingermechanismus angewendet werden kann, der eine Fingereinheit
mit mehreren Gelenken aufweist.
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Zum
Beispiel kann ein Doppelgelenk-Fingermechanismus derart ausgebildet
sein, dass ein mittleres Fingerglied zwischen das fingerspitzenseitige Fingerglied 3 und
der fingerbasisseitige Fingerglied 4 geschaltet ist, wobei
das mittlere Fingerglied einen fingerspitzenseitigen Gelenkbereich
und einen fingerbasisseitigen Gelenkbereich aufweist; das fingerspitzenseitige
Fingerglied 3 kann durch ein fingerspitzenseitiges Vorspannelement
dauernd in der Greifrichtung vorgespannt sein, und das mittlere
Fingerglied kann durch eine fingerbasisseitiges Vorspannelement
dauernd in Greifrichtung vorgespannt sein. Gemäß dieser
Konfiguration ist es möglich, die Größe
des elektromagnetischen Motors zum antriebsmäßigen
Bewegen des fingerspitzenseitigen Fingerglieds sowie die Größe
eines elektromagnetischen Motors zum antriebsmäßigen
Bewegen des mittleren Fingerglieds zu reduzieren, wobei dies wiederum
für eine Reduzierung der Größe und der
Kosten des Fingermechanismus wirksam ist.
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Wie
vorstehend beschrieben worden ist, wird bei dem Roboterhand-Fingermechanismus
gemäß der vorliegenden Erfindung das fingerspitzenseitige Fingerglied
durch eine Schraubenfeder oder ein anderes Vorspannelement ständig
in der Greifrichtung der Roboterhand vorgespannt. Bei dem Roboterhand-Fingermechanismus
mit mehreren Gelenken gemäß der vorliegenden Erfindung
werden das fingerspitzenseitige Fingerglied und das mittlere Fingerglied
durch Schraubenfedern oder andere Vorspannelemente ständig
in der Greifrichtung der Roboterhand vorgespannt. Da somit nur eine
geringe Antriebskraft zum antriebsmäßigen Bewegen
des fingerspitzenseitigen Fingerglieds und des mittleren Fingerglieds
in der Greifrichtung erforderlich ist, können Motoren mit
geringer Kapazität als Antriebsmechanismen für
die Fingergelenkbereiche verwendet werden. Als Ergebnis hiervon
ergibt sich eine effektive Reduzierung der Größe
und der Kosten des Fingermechanismus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboterhand-Fingermechanismus
- 2
- Fingereinheit
- 3
- fingerspitzenseitiges
Fingerglied
- 3a
- vorderer
Endbereich
- 3b
- hinterer
Endbereich
- 4
- fingerbasisseitiges
Fingerglied
- 4a
- vorderer
Endbereich
- 4b
- hinterer
Endbereich
- 5
- Gelenkbereich
- 6
- Gelenkwelle
- 6a
- Mittelachsenlinie
- 7
- elektromagnetischer
Motor
- 8
- Torsionsfeder
- 8A
- Zug-Schraubenfeder
- 9,
9A, 10, 10A
- Federzapfen
- A
- Greifrichtung
der Roboterhand
- B
- Öffnungsrichtung
der Roboterhand
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Fingereinheit (2) eines Roboterhand-Fingermechanismus (1)
besitzt ein fingerspitzenseitiges Fingerglied (3), ein
fingerbasisseitiges Fingerglied (4) sowie einen Fingergelenkbereich
(5) zum Verbinden des fingerspitzenseitigen Fingerglieds
(3) und des fingerbasisseitigen Fingerglieds (4).
Das fingerspitzenseitige Fingerglied (3) ist durch eine
Torsions-Schraubenfeder (8) um eine Fingergelenkwelle (6)
ständig mit Drehmoment in der Roboterhand-Greifrichtung
(A) beaufschlagt, so dass das Ausgangsmoment eines elektromagnetischen
Motors (7), das zum antriebsmäßigen Bewegen
des Fingermechanismus (1) in der Greifrichtung (A) erforderlich
ist, vermindert ist. Aufgrund dieser Konstruktion kann der Roboterhand-Fingermechanismus,
der die erforderliche Antriebskraft in der Roboterhand-Greifrichtung
bereitstellen kann, unter Verwendung eines Aktuators mit geringer
Ausgangsleistung und kompakter Ausbildung realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-26806
A [0002]
- - JP 2006-26807 A [0002]
