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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine fünffingrige Handvorrichtung, welche eine menschliche Hand nachahmt.
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Technischer Hintergrund
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Es sind fünffingrige Handvorrichtungen bekannt, welche eine menschliche Hand nachahmen. Die fünffingrige Handvorrichtung dieses Typs enthält eine Basis mit einer Handfläche und einem Rücken sowie einen Daumenmechanismus, einen Zeigefingermechanismus, einen Mittelfingermechanismus, einen Ringfingermechanismus und einen Kleinen-Fingermechanismus, die jeweils den fünf Fingern eines Menschen entsprechen. Jeder Fingermechanismus hat eine Mehrzahl von Gelenken und ist an jedem Gelenk drehbar, so dass er in der Lage ist, Beuge- und Streckoperationen auszuführen (s.
Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsnummer 2008-183629 ).
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In der herkömmlichen Handvorrichtung werden eine Mehrzahl von Motoren als Antriebseinheit verwendet, um die Biege- und Streckoperationen der Fingermechanismen anzutreiben. D. h., jeder Fingermechanismus ist mit drei Gelenken versehen, und die Motoren zum Bewegen der Gelenke sind in der Basis angeordnet. Zur Verbindung der Motoren mit den Fingermechanismen werden Drähte verwendet. Bei den Motoren über die Drähte bewirken, dass sich die Fingermechanismen beugen oder strecken, werden von den Fingermechanismen eine Greifoperation und andere Operationen ausgeführt.
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Damit die Motoren in der Basis untergebracht werden können, müssen die Motoren jedoch eine relativ kleine Größe haben. Im Ergebnis könnte man keine ausreichenden Antriebskräfte von den Motoren erhalten, oder selbst wenn die Motoren Fingermechanismen beugen und strecken können, können von den Fingermechanismen keine ausreichende Greifkraft erhalten werden.
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Um eine ausreichend hohe Greifkraft zu erhalten, ist es denkbar, Motoren mit einer relativ hohen Antriebskraft zu verwenden. In diesem Fall nehmen jedoch Größe sowie Gewicht der Motoren zu, was zu einer Größenzunahme der Basis und der Fingermechanismen führt. Dies behindert die Größen- und Gewichtsreduktion der fünffingrigen Handvorrichtung, so dass sie angenähert der Größe einer typischen menschlichen Hand entspricht, was es schwierig macht, die Handvorrichtung an einem humanoiden Roboter anzuwenden, der einen Aufbau und eine Form hat, die jenen eines Menschen äquivalent sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Von der Erfindung zu lösendes Problem
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Im Hinblick auf das Vorstehende ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fünffingrige Handvorrichtung anzugeben, die eine Größen- und Gewichtsreduktion gestattet, während ähnliche Operationen wie jene einer menschlichen Hand implementiert werden, und die eine ausreichend hohe Greifkraft erzeugt, so dass sie bei einem Mensch humanoiden Roboter geeignet angewendet werden kann.
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Mittel zur Lösung des Problems
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Die vorliegende Erfindung sieht eine fünffingrige Handvorrichtung vor, die einen eine menschliche Hand nachahmenden Handkörper und eine Antriebseinheit enthält, wobei der Handkörper eine Basis mit einer Handfläche und einem Rücken, einen Daumenmechanismus, einen Zeigefingermechanismus, einen Mittelfingermechanismus, einen Ringfingermechanismus und einen Kleinen-Fingermechanismus, die jeweils den fünf Fingern eines Menschen entsprechen und jeweils Beuge- und Streckfunktionen haben, enthält, wobei die Antriebseinheit die Fünffingermechanismen des Handkörpers voneinander unabhängig antreibt, worin die Antriebseinheit umfasst: eine Mehrzahl von Abtriebsfluiddruckzylindern, die in dem Handkörper angebracht sind und die Fingermechanismen zum voneinander unabhängigen Beugen und Strecken betätigen; eine Mehrzahl von Antriebsfluiddruckzylindern, die außerhalb des Handkörpers angeordnet sind und jeweils über Fluiddruckübertragungsrohre mit den Abtriebsfluiddruckzylindern verbunden sind, wobei die Antriebsfluiddruckzylinder auf die Abtriebsfluiddruckzylinder voneinander unabhängig Arbeitsfluiddrücke ausüben; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, um die von den Antriebsfluiddruckzylindern auf die entsprechenden Abtriebsfluiddruckzylinder übertragenen Arbeitsfluiddrücke einzustellen, um hierdurch das Beugen und Strecken der Fingermechanismen zu steuern/zu regeln, worin der Daumenmechanismus und einer oder beide des Zeigefingermechanismus und des Mittelfingermechanismus als geschickte Finger betrachtet werden, die jeweils mit einem Kraftsensor versehen sind, der konfiguriert ist, um eine auf dessen Fingerspitzenabschnitt wirkende Kraft zu erfassen, und die durch die Steuereinheit dazu veranlasst werden, eine geschickte Operation einschließlich einer Klemmoperation mit dem Fingerspitzen auszuführen, und die anderen Fingermechanismen als die geschickten Finger als Kraftfinger betrachtet werden, die durch die Steuereinheit dazu veranlasst werden, die Antwort auf die Betätigung der geschickten Finger eine Kraftoperation einschließlich einer Greifoperation durchzuführen, und worin die Metacarpophalangealgelenke der vier anderen Fingermechanismen als des Daumenmechanismus jeweils eine erste Drehwelle, deren Achslinie parallel zur Drehwelle des proximalen Interphalangealgelenks ist, sowie eine zweite Drehwelle, deren Achslinie die Achslinie der ersten Drehwelle schneidet, enthält, die beiden Drehwellen des Metacarpophalangealgelenks des als geschickter Finger betrachteten Fingermechanismus mit Kolbenstangen von unterschiedlichen Abtriebsfluiddruckzylindern separat verbunden sind, und nur die erste Drehwelle des Metacarpophalangealgelenks des als der Kraftfinger betrachteten Fingermechanismus mit einer Kolbenstange des Abtriebsfluiddruckzylinders verbunden ist, wobei sich die zweite Drehwelle gemäß der Kraftoperation frei dreht.
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Hier bezeichnet der „geschickte Finger” einen flinken oder beweglichen Finger in einer menschlichen Hand, der zur Durchführung von empfindlicher Arbeit wie etwa einer Klemmoperation verwendet wird, während der „Kraftfinger” einen Finger in einer menschlichen Hand bezeichnet, der zum Ergreifen und Halten eines Objekts mit starker Kraft verwendet wird, bei einer Greifoperation oder dergleichen oder zum vorübergehenden Halten eines Objekts beim Wechsel des selben von einer Hand zur anderen. Diese Rollenzuordnung zu den menschlichen Fingern bei der Greifoperation beruht auf den Analyseergebnissen der Bewegungen von menschlichen Händen und Fingern, die von den vorliegenden Erfindern durchgeführt wurden. Von den menschlichen Fingern fungieren der Daumen und der Zeigefinger, oder der Daumen, der Zeigefinger und der Mittelfinger als geschickte Finger, während der Ringfinger und der kleine Finger als die Kraftfinger fungieren.
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Im Hinblick auf das Vorstehende werden in der vorliegenden Erfindung der Daumenmechanismus und einer oder beide des Zeigefingermechanismus und des Mittelfingermechanismus als die geschickten Finger betrachtet, und der Kraftsensor zum Erfassen der auf den Fingerspitzenabschnitt wirkenden Kraft ist nur an dem geschickten Finger vorgesehen. Mit dieser Konfiguration kann die Information von den Kraftsensoren dazu benutzt werden, die Kräfte an den Fingerspitzen der geschickten Finger so zu steuern, dass sie empfindliche Arbeiten mit dem geschickten Fingern ermöglichen, während das Gewicht der Kraftfinger reduziert werden kann, ohne die Kraftsensoren vorzusehen.
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Ferner werden gemäß der vorliegenden Erfindung beide Drehwellen des Metacarpophalangealgelenks des als der geschickte Finger betrachteten Fingermechanismus von den entsprechenden Abtriebsfluiddruckzylindern angetrieben, so dass der als geschickter Finger dienende Fingermechanismus nicht nur in den Beuge- und Streckrichtungen bewegt werden kann, sondern auch in Richtungen der Intervalle der zwischen den Fingermechanismen. Dies gestattet glattgängige geschickte Operationen.
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Andererseits wird die zweite Drehwelle des Metacarpophalangealgelenks des als der Kraftfinger betrachteten Fingermechanismus gemäß der Kraftoperation frei drehbar. Somit bewegt, z. B. im Falle des Ergreifen eines Gegenstands, der Kraftfinger spontan in der Richtung des Intervalls zwischen der Fingermechanismen gemäß der Lage oder Form des Gegenstands, so dass eine optimale Kraftoperation durchgeführt werden kann. Gleichzeitig ist es nicht notwendig, einen Abtriebsfluiddruckzylinder zum Drehen der zweiten Drehwelle des Metacarpophalangealgelenks des als der Kraftfinger dienenden Fingermechanismus vorzusehen, was eine Größen- und Gewichtsreduktion des Handkörpers ermöglicht.
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Ferner ist die Antriebseinheit mit einer Mehrzahl von Abtriebsfluiddruckzylindern und einer Mehrzahl von Antriebsfluiddruckzylindern, die mit den jeweiligen Abtriebsfluiddruckzylindern verbunden sind, konfiguriert. Während die Abtriebsfluiddruckzylinder in dem Handkörper angebracht sind, sind die Antriebsfluiddruckzylinder außerhalb des Handkörpers vorgesehen, was eine Größenreduktion des Handkörpers gestattet.
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Ferner bewirken die Abtriebsfluiddruckzylinder durch von den entsprechenden Antriebsfluiddruckzylindern übertragenen Fluiddrücke, dass sich die Fingermechanismen beugen und strecken. Somit kann im Vergleich zu dem Fall, wo die Fingermechanismen durch Motoren oder dergleichen angetrieben werden, eine ausreichend hohe Greifkraft erzeugt werden, trotz der kompakten Konstruktion.
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In der vorliegenden Erfindung enthält der Antriebsfluiddruckzylinder einen ersten Zylinderkörper, der darin ein Fluid enthält, eine hohle erste Kolbenstange, die in den ersten Zylinderkörper von dessen einem Ende her eingesetzt ist und darin ausfahrbar und einfahrbar ist, einen ersten Kolben, der der ersten Kolbenstange nachgeschaltet ist, ein Dichtungselement, das den ersten Zylinderkörper abdichtet, während es die Ausfahr- und Einfahrbewegung des ersten Kolbens gestattet, ein Kugelgewinde, das entlang einer Achslinie der ersten Kolbenstange in die erste Kolbenstange eingesetzt ist, eine Mutter, die an der ersten Kolbenstange fest gesichert ist und mit dem Kugelgewinde verschraubt ist, und eine Drehantriebseinheit, die das Kugelgewinde drehend antreibt, um zu bewirken, dass die erste Kolbenstange über die Mutter ausfährt und einfährt, und der Abtriebsfluiddruckzylinder enthält einen zweiten Zylinderkörper, der mit Arbeitsfluid von dem Antriebsfluiddruckzylinder versorgt wird, einen zweiten Kolben, der in dem zweiten Zylinderkörper hin- und herbeweglich ist, und eine zweite Kolbenstange, die dem zweiten Kolben nachgeschaltet ist und gemäß der Hin- und Herbewegung des zweiten Kolbens ausfährt und einfährt.
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Wenn gemäß der vorliegenden Konfiguration die Drehantriebseinheit das Kugelgewinde drehend antreibt, bewegt sich die Mutter entsprechend der Richtung, in der sich das Kugelgewinde dreht. Mit der an der ersten Kolbenstange befestigten Mutter bewegt sich der erste Kolben zusammen mit der Mutter. Mit der Bewegung des ersten Kolbens wird in dem ersten Zylinderkörper ein Fluiddruck erzeugt, und der Fluiddruck wird auf den zweiten Zylinderkörper des Abtriebsfluiddruckzylinders ausgeübt, um hierdurch den zweiten Kolben anzutreiben.
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Mit dieser Konfiguration kann gemäß dem Drehbetrag des Kugelgewindes der erste Kolben innerhalb des ersten Zylinderkörpers mit Genauigkeit zu einer gewünschten Position bewegt werden.
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In der vorliegenden Erfindung ist die erste Kolbenstange hohl und das Kugelgewinde ist darin eingesetzt. Wenn der erste Kolben einfährt, wird das Kugelgewinde in der ersten Kolbenstange aufgenommen.
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Im Ergebnis kann, anders als bei der herkömmlichen Konfiguration, wo das Kugelgewinde dem Kolben nachgeschaltet ist, die Länge der ersten Kolbenstange angenähert gleich der Gesamtlänge des Innenraums des ersten Zylinderkörpers gemacht werden, während die Gesamtlänge des Antriebsfluiddruckzylinders relativ kurz gemacht wird, um hierdurch eine kompakte Konstruktion zu erreichen.
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Weil darüberhinaus das Dichtungselement vorgesehen ist, wird der erste Zylinderkörper zuverlässig im abgedichteten Zustand gehalten, während der erste Kolben ausfährt oder einfährt. Dies verbessert die Luftdichtigkeit des ersten Zylinderkörpers, wodurch der Fluiddruck effizient erzeugt wird.
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Während als das Arbeitsfluid Gas wie etwa Luft oder eine Flüssigkeit wie etwa Öl verwendet werden kann, ist es im Hinblick auf das Ansprechverhalten des Abtriebsfluiddruckzylinders auf den Antriebsfluiddruckzylinder wünschenswert, als das Arbeitsfluid eine Flüssigkeit wie etwa Öl zu verwenden, das eine nicht komprimierbare Flüssigkeit ist.
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Bevorzugt ist die Drehantriebseinheit benachbart dem ersten Zylinderkörper in einer Lage vorgesehen, wo ihre Ausgangswelle, welche die Drehung ausgibt, parallel zu einer Achslinie des ersten Kolbens ist, und die Ausgangswelle über eine Drehübertragungseinheit mit dem Kugelgewinde verbunden ist.
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Mit dieser Konfiguration sind die Ausgangswelle der Drehantriebseinheit und der Zylinderkörper zueinander parallel angeordnet, was zu einer kompakten Konstruktion des Antriebsfluiddruckzylinders führt, dessen Gesamtlänge weiter reduziert ist.
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Wenn als das Arbeitsfluid eine Flüssigkeit verwendet wird, kann für den Fall, dass innerhalb des ersten Zylinderkörpers Luft in die Flüssigkeit gemischt ist, das Ansprechverhalten des Abtriebsfluiddruckzylinders auf den Antriebsfluiddruckzylinder schlechter werden. Da der erste Zylinderkörper von dem Dichtungselement abgedichtet ist, ist es für den Fall, dass von einer anderen Stelle her eingedrungene Luft in die Flüssigkeit gemischt wurde, schwierig, die Luft aus dem ersten Zylinderkörper auszuführen.
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Im Hinblick auf das Vorstehende verwendet bevorzugt in der vorliegenden Erfindung die Antriebseinheit als das Arbeitsfluid eine Flüssigkeit und hat einen Flüssigkeitsspeichertank zum Speichern der Flüssigkeit darin, wobei der Antriebsfluiddruckzylinder in einer Lage angeordnet ist, wo der erste Kolben in aufwärtiger Richtung einfährt, wobei das eine Ende des ersten Zylinderkörpers an einer Oberseite ist, der erste Zylinderkörper an seinem Oberende einen Aufnahmeabschnitt aufweist, wobei der Aufnahmeabschnitt konfiguriert ist, um ein distales Ende des eingefahrenen ersten Kolbens in kontaktfreiem Zustand aufzunehmen, und der Aufnahmeabschnitt ein Durchgangsloch und ein Lüftungsloch aufweist, wobei das Durchgangsloch mit dem Fluidspeichertank verbunden ist, um die Flüssigkeit dort hindurch fließen zu lassen, wobei das Lüftungsloch oberhalb des Durchgangslochs ausgebildet ist, um Luft aus dem ersten Zylinderkörper auszuwerfen.
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Auch falls mit dieser Konfiguration Luft, welche in die als das Arbeitsfluid dienende Flüssigkeit gemischt worden ist, in den ersten Zylinderkörper eintritt, ist es leicht möglich, die Luft auszuwerfen, indem einfach der erste Kolben soweit eingefahren wird, dass sein distales Ende in dem Aufnahmeabschnitt aufgenommen wird.
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D. h., der erste Zylinderkörper ist in der Lage vorgesehen, wo, wenn sein eines Ende (von dem der erste Kolben der eingesetzt wird) an der Oberseite ist, der erste Kolben in der aufwärtigen Richtung einfährt, so dass sich die Luft innerhalb des ersten Zylinderkörpers aufwärts bewegt. Wenn der erste Kolben aufwärts eingefahren wird, um das distale Ende des ersten Kolben in dem am Oberende des ersten Zylinderkörpers vorgesehenen Aufnahmeabschnitt aufnehmen zu lassen, tritt Luft zwischen den Aufnahmeabschnitt und das distale Ende des ersten Kolbens ein. Dann wird die Luft, die zwischen den Aufnahmeabschnitt und das distale Ende des ersten Kolbens eingetreten ist, aus dem Lüftungsloch, das in dem Aufnahmeabschnitt ausgebildet ist, zur Außenseite des ersten Zylinderkörpers geleitet.
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Ferner ist in dem Aufnahmeabschnitt ein Durchgangsloch ausgebildet, das mit dem Fluidspeichertank verbunden ist. Mit dieser Konfiguration erhält der Aufnahmeabschnitt einen Unterdruck, wenn der erste Kolben nach unten ausgefahren wird und sein distales Ende den Aufnahmeabschnitt verlässt, wodurch die Flüssigkeit in dem Fluidspeichertank in den Aufnahmeabschnitt gesaugt wird. Im Ergebnis wird die Luft in dem Aufnahmeabschnitt durch Flüssigkeit ersetzt, so dass der Aufnahmeabschnitt mit der Flüssigkeit gefüllt werden kann. Dies vermeidet eine Verringerung der Füllmenge der Flüssigkeit innerhalb des ersten Zylinderkörpers aufgrund der ausgeworfenen Luft.
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Ferner ist in der vorliegenden Erfindung die zweite Kolbenstange des Abtriebsfluidzylinders aus Metall gebildet, und der zweite Kolben des Abtriebsfluiddruckzylinders aus Kunststoff gebildet ist, wobei die zweite Kolbenstange und der zweite Kolben miteinander verbunden sind, wenn ein am proximalen Endabschnitt der zweiten Kolbenstange ausgebildeter Kugelabschnitt in einen an dem zweiten Kolben ausgebildeten kugelförmigen Aufnahmeabschnitt eingesetzt ist, und der zweite Kolben eine Außenumfangsfläche hat, die mit einer Vertiefung versehen ist, die sich in deren Umfangsrichtung erstreckt, wobei die Vertiefung zumindest an einem Abschnitt ausgebildet ist, wo eine Außenoberfläche des in den kugelförmigen Aufnahmeabschnitt eingesetzten Kugelabschnitt einer Innenoberfläche des zweiten Zylinderkörpers am nächsten kommt.
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Der Kugelabschnitt der zweiten Kolbenstange ist in den kugelförmigen Aufnahmeabschnitt des zweiten Kolbens eingesetzt. Dies verbindet nicht nur die zweite Kolbenstange mit dem zweiten Kolben, sondern gestattet auch ein freies Schwenkender zweiten Kolbenstange relativ zum zweiten Kolben.
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Da die zweite Kolbenstange aus Metall gebildet ist, fasst sie eine hohe Festigkeit. Insbesondere die Ausbildung der zweiten Kolbenstange mit Leichtmetall wie etwa Aluminiumlegierung gestattet eine weitere Gewichtsreduktion.
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Darüber hinaus ist der aus Kunststoff gebildete zweite Kolben kompakt und leichtgewichtig, wenn er durch Spritzguss oder dergleichen hergestellt ist. Weil darüber hinaus der zweite Kolben aus Kunststoff gebildet ist, kann der Kugelabschnitt leicht in den kugelförmigen Aufnahmeabschnitt eingepresst werden, was bei der Montage gute Arbeitseigenschaften gewährleistet.
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Die Vertiefung ist an der Außenumfangsoberfläche des zweiten Kolbens der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Wenn somit der Kugelabschnitt in dem kugelförmigen Aufnahmeabschnitt eingepresst wird, kann hierbei die Vertiefung die Verformung des zweiten Kolbens absorbieren, auch wenn der kugelförmigen Aufnahmeabschnitt durch den Kugelabschnitt unter Druck gesetzt und gespreizt wird.
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Dies verhindert eine Ausbauchung der Außenumfangsoberfläche des Kolbens, wenn der Kugelabschnitt in den kugelförmigen Aufnahmeabschnitt eingesetzt wird, was eine Zunahme im Gleitwiderstand des zweiten Kolbens in Bezug auf die Innenoberfläche des zweiten Zylinderkörpers vermeidet.
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Ferner reduziert die Vertiefung, die an der Außenumfangsoberfläche des zweiten Kolbens ausgebildet ist, die Gleitkontaktfläche der Außenumfangsoberfläche des zweiten Kolbens in Bezug auf die Innenoberfläche des zweiten Zylinderkörpers, so dass der Gleitwiderstand gering gehalten wird. Dies gewährleistet eine glatte Hin- und Herbewegung des zweiten Kolbens innerhalb des zweiten Zylinderkörpers.
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Bevorzugt enthält in der vorliegenden Erfindung die Antriebseinheit des ersten Drucksensor, der einen Ausgangsfluiddruk misst, der von dem Antriebsfluiddruckzylinder an das Fluiddruckübertragungsrohr ausgegeben wird, und einen zweiten Drucksensor, der einen Eingangsfluiddruck misst, der von dem Fluiddruckübertragungsrohr zu dem Abtriebsfluiddruckzylinder eingegeben wird, und die Steuereinheit das Beugen und Strecken des Fingermechanismus steuert/regelt, indem sie den Arbeitsfluiddruck des Antriebsfluiddruckzylinders auf der Basis der Messergebnisse der ersten und zweiten Drucksensoren einstellt.
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Mit dem Vorsehen des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors kann der in dem Antriebsfluiddruckzylinder erzeugte Ausgangsfluiddruck des Arbeitsflluids und auf den Abtriebsfluiddruckzylinder wirkende Eingangsfluiddruck des Arbeitsfluids gleichzeitig gemessen werden.
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Durch Vergleich des vom ersten Fluiddrucksensor gemessenen Ausgangsfluiddrucks mit dem vom zweiten Drucksensor gemessenen Eingangsfluiddruck ist die Steuereinheit ferner leicht in der Lage, eine Verschlechterung des Ansprechverhaltens zu detektieren, z. B. aufgrund der Luft, die in den Fluidflussweg eingemischt ist, oder aufgrund einer Änderung des Strömungswiderstands des Fluids mit Ausdehnung/Kontraktion des Durchmessers des Fluiddruckübertragungsrohrs.
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Falls dann eine solche Verschlechterung des Ansprechverhaltens detektiert wird, ist die Steuereinheit in der Lage, die Aktivierung des Antriebfluiddruckzylinders in Antwort auf die Differenz zwischen dem Ausgangsfliuddruck und dem Eingangsfluiddruck sofort zu korrigieren, um hierdurch das Beugen und Strecken des Fingermechanismus vor Genauigkeit zu regeln.
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In der vorliegenden Erfindung enthalten die anderen vier Fingermechanismen als der Daumenmechanismus jeweils ein distales Interphalangealgelenk, das in einer der Achse dreht, ein proximales Interphalangealgelenk, das in einer Achse um eine Achslinie dreht, die parallel zur Drehwelle des distalen Interphalangealgelenks ist, sowie ein Metacarpophalangealgelenk, das sich in zwei Achsen um eine Achslinie, die parallel zur Drehwelle des proximalen Interphalangealgelenks ist, und eine diese Achslinie kreuzende Achslinie dreht, wobei das distale Interphalangealgelenk über einen Kopplungsmechanismus mit dem proximalen Interphalangealgelenk verbunden ist, um sich mit der Drehung des proximalen Interphalangealgelenks gekoppelt zu bewegen, und das proximale Interphalangealgelenk und das Metacarpophalangealgelenk mit Kolbenstangen der unterschiedlichen Abtriebsfluiddruckzylinder separat verbunden sind, um sich entsprechend dem Ausfahren und Einfahren der entsprechenden Kolbenstangen zu drehen.
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Mit dieser Konfiguration können der Zeigefingermechanismus, der Mittelfingermechanismus, der Ringfingermechanismus und der Kleine-Fingermechanismus, die jeweils das einachsige distale Interphalangealgelenk, das einachsige proximale Interphalangealgelenk, das zweiachsige Metacarpophalangealgelenk aufweisen, so betätigt werden, dass sie so ähnlich wie die menschlichen Finger gebeugt und gestreckt werden. Darüber hinaus bewegen sich die distalen Interphalangealgelenke durch die Kupplungsmechanismen gekoppelt mit den proximalen Interphalangealgelenken. Dies gewährleistet nicht nur natürliche Bewegungen ähnlich jenen der menschlichen Finger, sondern erlaubt auch eine Drehung der distalen Interphalangealgelenke durch die Abtriebsfluiddruckzylinder, die die proximalen Interphalangealgelenke drehen. Dies reduziert die Anzahl der Abtriebsfluiddruckzylinder, um hierdurch eine Größen- und Gewichtsreduktion der Fingermechanismen zu ermöglichen.
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Bevorzugt ist der Abtriebsfluiddruckzylinder zum Drehen des proximalen Interphalangealgelenks zwischen dem proximalen Interphalangealgelenk und dem Metacarpophalangelgelenk angeordnet ist, und der Abtriebsfluiddruckzylinder zum Drehen des Metacarpophalangelgelenk in der Basis angeordnet ist.
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Mit dieser Konfiguration kann der Abtriebsfluiddruckzylinder zum Drehen des proximalen Interphalangealgelenks innerhalb des Fingermechanismus untergebracht werden. Dies reduziert die Anzahl der in der Basis angeordnetet Abtriebsfluiddruckzylinder, wodurch der Handkörper kompakt gemacht werden kann.
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Weil darüber hinaus der Abtriebsfluiddruckzylinder zum Drehen des proximalen Interphalangealgelenks zwischen dem proximalen Interphalangealgelenk und dem Metacarpophalangealgelenk angeordnet ist, kann der Abtriebsfluiddruckzylinder als einer der menschlichen proximalen Phalanx entsprechendes Element verwendet werden. Dies verbessert die Raumausnutzung und reduziert auch die Anzahl der Teile, was zu einer Gewichtsreduktion führt.
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Ferner enthält in der vorliegenden Erfindung der Daumenmechanismus ein Daumeninterphalangealgelenk, das sich in einer Achse dreht, ein Daumenmetacarpohalangealgelenk, das sich in einer Achse um eine Achslinie dreht, die parallel zur Drehwelle des Daumeninterphalangealgelenks ist, sowie ein Carpometacarpalgelenk, das sich in zwei Achsen um eine Achslinie, die parallel zur Drehwelle des Draumenmetacarpophalangealgelenks ist und eine diese Achslinie kreuzende Achslinie dreht, enthält, wobei das Daumeninterphalangealgelenk über einen Kopplungsmechanismus mit dem Daumenmetacarpophalangealgelenk verbunden ist, um sich mit der Drehung des Daumenmetacarpophalangealgeleneks gekoppelt zu bewegen, und das Daumenmetacarpophalangealgelenk und das Carpometacarpalgelenk mit Kolbenstangen der unterschiedlichen Abtriebsfluiddrukzylinder separat verbunden sind, um sich entsprechend dem Ausfahren und Einfahren der entsprechenden Kolbenstangen zu drehen.
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Mit dieser Konfiguration kann, mit dem einachsigen Daumeninterphalangealgelenk, dem einachsigen Daumencarpophalangealgelenk und dem zweiachsigen Carpometacarpalgelenk, der Daumenmechanismus so ähnlich wie die menschliche Hand beugend und streckend aktiviert werden. Darüber hinaus bewegt sich das Daumeninterphalangealgelenk, durch den Kopplungsmechanismus, in Kopplung mit dem Daumenmetacarpophalangealgelenk. Dies gewährleistet nicht nur natürliche Bewegungen ähnlich jenen der menschlichen Hand, sondern erlaubt auch, dass das Daumeninterphalangealgelenk durch den Abtriebsfluiddruckzylinder gedreht wird, der das Daumenmetacarpophalangealgelenk dreht. Dies reduziert die Anzahl der Abtriebsfluiddruckzylinder, um hierdurch eine Größen- und Gewichtsreduktion des Daumenmechanismus zu ermöglichen.
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Bevorzugt ist, in dem Daumenmechanismus der vorliegenden Erfindung, der Abtriebsfluiddruckzylinder zum Drehen des Daumenmetacarpophalangealgelenks zwischen dem Daumenmetacarpophalangealgelenk und dem Carpometacarpalgelenk angeordnet, und der Abtriebsfluiddruckzulinder ist zum Drehen des Carpometacarpalgelenks in der Basis angeordnet.
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Mit dieser Konfiguration kann der Abtriebsfluiddruckzylinder zum Drehen des Daumenmetacarpophalangealgelenks innerhalb des Daumenmechanismus untergebracht werden. Dies reduziert die Anzahl der in der Basis angeordneten Abtriebsfluiddruckzylinder, wodurch der Handkörper kompakt gemacht werden kann.
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Noch weiter bevorzugt enthält, in dem Daumenmechanismus der vorliegenden Erfindung, das Carpometacarpalgelenk eine erste Drehwelle, deren Achslinie parallel zur Drehwelle des Daumenmetacarpophalangealgelenks ist, sowie eine zweite Drehwelle, deren Achslinie die Achslinie der ersten Drehwelle schneidet, wobei die ersten und zweiten Drehwellen mit Kolbenstangen der unterschiedlichen Abtriebsfluiddruckzylinder separat verbunden sind, wobei die zweite Drehwelle hohl und in der Basis angeordnet ist, und der Abtriebsfluiddruckzylinder zum Drehen der ersten Drehwelle innerhalb der zweiten Drehwelle aufgenommen ist.
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Mit dieser Konfiguration wird der Abtriebsfluiddruckzylinder zum Drehen der ersten Drehwelle des Carpometacarpalgelenks innerhalb der zweiten Drehwelle untergebracht. Dies gestattet eine kompakte Konstruktion, während eine glatte Betätigung des Carpometacarpalgelenks erreicht wird.
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Ferner ist hierbei bevorzugt eine Schraubenfeder vorgesehen, die gegen eine Antriebsrichtung durch den Erstfluiddruckzylinder vorspannt, der die zweite Drehwelle dreht, und die zweite Drehwelle innerhalb der Schraubenfeder angeordnet ist.
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Mit dieser Konfiguration verstärkt die Schraubenfeder die Antriebskraft in der anderen Antriebsrichtung durch den Abtriebsfluiddruckzylinder, der die zweite Drehwelle dreht. Dies erlaubt die Anwendung eines kompakten Zylinders mit relativ geringerer Antriebskraft als den Abtriebsfluiddruckzylinder zum Drehen der zweiten Drehwelle. Darüber hinaus ermöglicht die innerhalb der Schraubenfeder angeordnete zweite Drehwelle eine noch kompaktere Konstruktion.
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Ferner ist bevorzugt die zweite Drehwelle des Carpometacarpalgelenks des Daumenmechanismus derart angeordnet ist, dass sich eine Achslinie der zweiten Drehwelle zwischen dem Metacarpohalangealgelenk des Zeigefingermechanismus und dem Metacarpophalangealgelenk des Zeigefingermechanismus und dem Metacarpophalangealgelenk des Mittelfingermechanismus hindurch erstreckt.
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Mit dieser Konfiguration kann, bei der Durchführung einer Operation zum Aufnehmen eines Objekts, die Fingerspitze des Daumenmechanismus gegenüber einem Mittelpunkt zwischen der Fingerspitze des Zeigefingermechanismus und der Fingerspitze des Mittelfingermechanismus mit einer geringen Drehbewegung um die zweite Drehwelle des Carpometacarpalgelenks angeordnet werden. Dies ermöglicht ein stabiles ergreifen des Objekts, während ein unnötiges Moment um die zweite Drehwelle herum vermieden wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine fünffingrige Handvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 zeigt schematisch Gelenke eines Handkörpers;
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3 zeigt die Innenstruktur des Handkörpers bei Betrachtung vom Handrücken her;
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4 ist eine illustrative Querschnittsansicht eines in dem Handkörper enthaltenen Fingermechanismus;
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5 ist eine illustrative Querschnittsansicht eines in dem Handkörper enthaltenen Daumenmechanismus;
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6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils eines Fingermechanismus;
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7 zeigt schematisch die Konfiguration eines Teils einer Antriebseinheit gemäß der vorliegenden Ausführung; und
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8 zeigt schematisch, wie die Antriebseinheit arbeitet.
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Art zur Ausführung der Erfindung
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Nachfolgend wird eine Ausführung der vorliegenden Erfindung im Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In Bezug auf 1, ist eine fünffingrige Handvorrichtung 1 gemäß einer vorliegenden Ausführung aus einem Handkörper dabei, die eine menschliche Hand nachahmt, und einer Antriebseinheit 3, die den Handkörper 2 antreibt, aufgebaut. Die Handvorrichtung ist für einen sogenannten Humanoiden Roboter geeignet anwendbar.
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Der Handkörper 2 enthält eine Basis 4 und fünf Fingermechanismen, die jeweils den fünf Fingern entsprechen, d. h. einen Daumenmechanismus 5, einen Zeigefingermechanismus 6, einen Mittelfingermechanismus 7, einen Ringfingermechanismus 8 und einen Kleinen-Fingermechanismus 9, die jeweils Beuge- und Streckfunktionen haben.
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Die Basis 4 hat einen Rahmen 10, die die Fingermechanismen verbindet und trägt. Die Vorderseite und die Rückseite der Basis 4 entsprechen jeweils dem Rücken und der Fläche der Hand. 1 zeigt die Flächenseite des Handkörpers 2.
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Dieser Fingermechanismus ist mit einem Fingerhautelement 11 abgedeckt, wobei die Gelenke frei liegen, und die Basis 4 ist mit einem Basishautelement 12 abgedeckt.
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Wie schematisch in 2 dargestellt, ist jeder Fingermechanismus mit einer Mehrzahl von Fingergliedern und einer Mehrzahl von Gelenken versehen. Der Zeigefingermechanismus 6, der Mittelfingermechanismus 7, der Ringfingermechanismus 8 und der Kleine-Fingermechanismus 9 enthalten jeweils, in der Reihenfolge von seitens der Fingerspitzen, ein DIP-Gelenk 13 (das distale Interphalangealgelenk der vorliegenden Erfindung), ein PIP-Gelenk 14 (das proximale Interphalangealgelenk der vorliegenden Erfindung), ein MP1-Gelenk 15, und ein MP2-Gelenk 16, die an den jeweiligen Gelenken drehbar sind.
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Das DIP-Gelenk 13 dreht sich in einer Achse, und das PIP-Gelenk 14 dreht sich in einer Achse um eine Achslinie, die parallel zum DIP-Gelenk 13 ist. Das MP1-Gelenk 15 und das MP2-Gelenk 16 stellen das Metacarpophalangealgelenk der vorliegenden Erfindung dar, das in zwei Achsen drehbar ist. Das MP1-Gelenk 15 dreht sich um eine Achslinie, die parallel zum PIP-Gelenk 14 ist, während sich das MP2-Gelenk 16 um eine Achslinie dreht, die das MP1-Gelenk 15 schneidet.
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Das DIP-Gelenk 13, das PIP-Gelenk 14 und das MP1-Gelenk 15 sind jeweils so konfiguriert, dass sie sich in Richtung zu der Handflächenseite der Basis 4 drehen, so dass sie eine Greifoperation und andere Beuge- und Streckbewegungen durchführen können. Das MP2-Gelenk 16 ist so konfiguriert, dass es dem entsprechenden Fingermechanismus in Richtung zu den benachbarten Fingermechanismen hin oder von diesen weg schwenkt, um z. B. eine Operation zum Spreizen der Hand zu ermöglichen.
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Der Daumenmechanismus 5 enthält, wie schematisch in 2 dargestellt, in der Reihenfolge von seitens der Fingerspitze ein IP-Gelenk 17 (das Daumeninterphalangealgelenk der vorliegenden Erfindung), ein MP-Gelenk 18 (das Daumenmetacarpophalangealgelenk der vorliegenden Erfindung), ein CM1-Gelenk 19 und ein CM2-Gelenk 20, die an den jeweiligen Gelenken drehbar sind.
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Das IP-Gelenk 17 dreht sich in einer Achse, und das MP-Gelenk 18 dreht sich in einer Achse um eine Achslinie, die parallel zu dem IP-Gelenk 17 ist. Das CM1-Gelenk 19 und das CM2-Gelenk 20 stellen das Carpometacarpalgelenk dar, das sich in zwei Achsen drehen. Das CM1-Gelenk 19 dreht sich um eine Achslinie, die parallel zum MP-Gelenk 18 ist, während sich das CM2-Gelenk 20 um eine Achslinie dreht, die das CM1-Gelenk 19 schneidet.
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Das IP-Gelenk 17, das MP-Gelenk 18 und das CM1-Gelenk 19 sind jeweils so konfiguriert, dass sich in Richtung zu der Handflächenseite der Basis 4 hin drehen, oder in einer Richtung zu der Fingerkuppenseite in einem der anderen vier Fingermechanismen 6, 7, 8 und 9, so dass sie die Greifoperation und andere Beuge- und Streckbewegungen durchführen können. Das CM2-Gelenk 20 ist so konfiguriert, dass es den Daumenmechanismus 5 entgegen der Fingerflächenseite oder Fingerkuppenseite von einem der anderen vier Fingermechanismen 6, 7, 8 und 9 dreht.
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Von den fünf Fingermechanismen werden drei Fingermechanismen des Daumenmechanismus 5, des Zeigefingermechanismus 6 und des Mittelfingermechanismus 7 als geschickte Finger betrachtet, die geschickte Operationen durchführen, einschließlich einer Operation zum Einklemmen eines Objekts mit den Fingerspitzen, was später beschrieben wird, während der Ringfingermechanismus 8 und der Kleine-Fingermechanismus 9 als Kraftfinger betrachtet werden, die Kraftoperationen durchführen, einschließlich einer Greifoperation, gemäß den Operationen der geschickten Finger.
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Die vorliegenden Erfinder haben die Bewegungen der menschlichen Hände und Finger analysiert und herausgefunden, dass der Daumen, der Zeigefinger und der Mittelfinger zur Durchführung von relativ empfindlichen Arbeiten verwendet werden, während der Ringfinger und der kleine Finger zum Ergreifen und Halten eines Objekts mit relativ starker Kraft verwendet werden, oder zum vorübergehenden Halten eines Objekts beim Wechsel des selben von der einen Hand zur anderen.
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Nun wird als Beispiel die Operation eines Menschen beschrieben, ein zylindrisches Objekt aufzunehmen, das auf einem Tisch oder dergleichen liegt. Zuerst berührt die Person das Objekt mit dem Daumen, dem Zeigefinger und dem Mittelfinger, um die Lage des Objekts zu prüfen, und korrigiert gleichzeitig deren Haltung, so dass sie den selben leicht ergreifen können, durch Einstellung der vom Daumen, dem Zeigefinger und dem Mittelfinger ausgeübten Kraft beträgt.
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Dann klemmt die Person das Objekt mit den Fingerspitzen des Daumens, des Zeigefingers und des Mittelfingers ein, um das Objekt aufzunehmen (Klemmoperetion). Hierbei beginnen der Ringfinger und der kleine Finger mit dem Ergreifen des Objekts, was einen Übergang von dem Griff mit dem Daumen, dem Zeigefinger und dem Mittelfinger zum Griff mit dem Ringfinger und dem kleinen Finger hervorruft.
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Danach ergreifen der Ringfinger und der kleine Finger das Objekt mit relativ starker Kraft fest (Greifoperation), mit dem Daumen, dem Zeigefinger und dem Mittelfinger, um das Objekt zusätzlich zu ergreifen und hierdurch die Operation zur Aufnahme des Objekts abzuschließen. Die oben beschriebene Aufnahmeoperation wird nahtlos aufeinanderfolgend und schnell durchgeführt.
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Der Daumenmechanismus 5, der Zeigefingermechanismus 6 und der Mittelfingermechanismus 7, die als die geschickten Finger betrachtet werden, sind jeweils mit einem Kraftsensor versehen, d. h. einem sechsachsigen Kraftsensor 21, wie in den 3 und 4 gezeigt. Der sechsachsige Kraftsensor 21 ist mit einer Neigung am Fingerspitzenelement 22 in jeweils dem Daumenmechanismus 5, dem Zeigefingermechanismus 6 und dem Mittelfingermechanismus angebracht. Der sechsachsige Kraftsensor 21 misst sechs Achskräfte, die auf das Fingerspitzenelement 22 des geschickten Fingers wirken, d. h. die Translationskräfte in zueinander orthogonalen Richtungen der drei Achsen (x-Achse, y-Achse und z-Achse), und die Momente um die jeweiligen Achsen. Die Kräfte an den Fingerspitzen der geschickten Finger werden auf der Basis der von den sechsachsigen Kraftsensoren 21 ausgegebenen Messwerten der sechs Achskräfte geregelt.
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Nun wird die Konfiguration des Zeigefingermechanismus 6 beschrieben. In Bezug auf 4 ist der Zeigefingermechanismus 6 versehen mit einem ersten Abtriebsfluiddruckzylinder 23, der eine Drehwelle 151 des MP1-Gelenks 15 dreht (die erste Drehwelle des Metacarpophalangealgelenks), sowie einen zweiten Abtriebsfluiddruckzylinder 24, der die Drehwelle 141 des PIP-Gelenks 14 dreht.
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Der erste Abtriebsfluiddruckzylinder 23 hat einen Zylinderkörper 231, der einem menschlichen Metacarpalknochen entspricht. Der Zylinderkörper 231 ist am Rahmen der Basis 4 (s. 1) durch eine Drehwelle 161 des MP2-Gelenks 16 drehbar gelagert (der zweiten Drehwelle des Metacarpohalangealgelenks). Der zweite Abtriebsfluiddruckzylinder 24 hat einen Zylinderkörper 241, der einem menschlichen proximalen Fingerglied entspricht. Der Zylinderkörper 241 ist über die Drehwelle 151 des MP1-Gelenks 15 mit dem ersten Abtriebsfluiddruckzylinder 23 drehbar verbunden.
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Die Drehwelle 151 des MP1-Gelenks 15 enthält ein Rohr 244 zum Zuführen eines Fluids zu dem Zylinderkörper 241 des zweiten Abtriebsfluiddruckzylinders 24. Dies verhindert eine Störung des Rohrs 244 mit der Drehung des MP1-Gelenks 15, um hierdurch glatte Beuge- und Streckoperationen des Zeigefingermechanismus 6 zu gewährleisten.
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Ferner ist der Zylinderkörper 241 des zweiten Abtriebfluiddruckzylinders 24 zwischen dem MP1-Gelenk 15 und dem PIP-Gelenk 14 entlang der Längsrichtung des Zeigefingermechanismus 6 angeordnet, was in einer kompakten Konstruktion des Zeigefingermechanismus 6 resultiert.
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Das DIP-Gelenk 13 ist mit dem PIP-Gelenk 14 über ein Verbindungselement 25 verbunden, das einem menschlichen Mittelfingerglied entspricht. Die Drehwelle 131 des DIP-Gelenks 13 ist mit einem Trägerelement 26 drehbar verbunden, das den sechsachsigen Kraftsensor 21 trägt, der dem Fingerspitzenelement 22 nachgeschaltet ist. Ein Ende des Verbindungselements 25 ist mit der Drehwelle 141 des PIP-Gelenks 14 drehbar verbunden, und dessen anderes Ende ist mit der Drehwelle 131 des DIP-Gelenks 13 verbunden.
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Ein Kopplungselement 27 ist ebenfalls zwischen dem PIP-Gelenk 14 und dem DIP-Gelenk 13 vorgesehen. Das Kopplungselement 27 verbindet den Zylinderkörper 241 des zweiten Abtriebsfluiddruckzylinders 24 mit dem Trägerelement 26, das den sechsachsigen Kraftsensor 21 des Fingerspitzenelements 22 trägt.
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Der erste Abtriebsfluiddruckzylinder 23 hat einen Kolben 232 (den zweiten Kolben der vorliegenden Erfindung), der gleitet, wenn in den Zylinderkörper 231 (dem zweiten Zylinderkörper der vorliegenden Erfindung) Hydrauliköl als Fluid zugeführt wird, um zu bewirken, dass ein Kolben 233 (die zweite Kolbenstange der vorliegenden Erfindung) ausfährt oder einfährt, um hierdurch das MP1-Gelenk 15 zu drehen. Dies bewirkt ein Beugen oder strecken des Zeigefingermechanismus 6 über das MP1-Gelenk 15.
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Der zweite Abtriebsfluiddruckzylinder 24 hat einen Kolben 242 (den zweiten Kolben der vorliegenden Erfindung), der gleitet, wenn in den Zylinderkörper 241 (den zweiten Zylinderkörper der vorliegenden Erfindung) Hydrauliköl als Fluid geleitet wird, um zu bewirken, dass eine Kolbenstange 243 (die zweite Kolbenstange der vorliegenden Erfindung) ausfährt oder einfährt, um hierdurch das PIP-Gelenk 14 zu drehen. Da hierbei das PIP-Gelenk 14 über das Verbindungselement 25 und das Kopplungselement 27 mit dem DIP-Gelenk 13 verbunden ist, dreht sich das DIP-Gelenk 13 einhergehend mit der Drehung des PIP-Gelenks 14 durch den zweiten Abtriebsfluiddruckzylinder 24.
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Das DIP-Gelenk 13 ist so konfiguriert, dass es sich, mittels des Verbindungselements 25 und des Kopplungselements 27, in Kopplung mit der Drehung des PIP-Gelenks 14 durch den zweiten Abtriebsfluiddruckzylinder 14 bewegt. Dies ermöglicht nicht nur ähnliche Operationen wie jene eines menschlichen Fingers, sondern erübrigt auch einen Zylinder oder dergleichen zum Antrieb des DIP-Gelenks 13, um hierdurch eine Gewichtsreduktion des Zeigefingermechanismus 26 zu gestatten.
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Mit der oben beschriebenen Konfiguration erhält der Zeigefingermechanismus 6 einen gebeugten Zustand, wenn die Kolbenstangen 233 und 243 des ersten Abtriebsfluiddruckzylinders 23 und des zweiten Abtriebsfluiddruckzylinders 24 ausgefahren werden, während er einen gestreckten Zustand erhält, wenn die Kolbenstangen 233 und 243 eingefahren werden.
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Das MP2-Gelenk 16 des Zeigefingermechanismus 6 wird, wie in 3 gezeigt, durch einen dritten Abtriebsfluiddruckzylinder 28 gedreht, dessen Kolbenstange 283 in der Richtung ausfährt und einfährt, in der die Fingermechanismen angeordnet sind. Der dritte Abtriebsfluiddruckzylinder 28 bewirkt, dass die Kolbenstange 283 ausfährt, um den Zeigefingermechanismus 6 in Richtung zu den Mittelfingermechanismen 7 hin zu verschwenken, während er die Kolbenstange 283 einfährt, um den Zeigefingermechanismus 6 in Richtung von dem Mittelfingermechanismus 7 weg zu verschwenken.
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Wie in 4 gezeigt, sind das PIP-Gelenk 14, das MP1-Gelenk 15 und das MP2-Gelenk 16 mit jeweiligen Schraubenfedern 14s, 15s und 16s versehen (Torsionsfedern). Die Schraubenfedern 14s und 15s des PIP-Gelenks 14 und des MP1-Gelenks 15 spannen jeweils den Zeigefingermechanismus 6 in Streckrichtung.
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Die Schraubenfeder 16s des MP2-Gelenks 16 spannt den Zeigefingermechanismus 6 in Richtung von dem Mittelfingermechanismus 7 weg vor. In anderen Worten, die Vorspannrichtungen der jeweiligen Schraubenfedern 14s, 15s und 16s sind so eingestellt, dass sie gleich den Einfahrrichtungen der Kolbenstangen 233, 243 und 283 der drei Abtriebsfluiddruckzylinder 23, 24 und 28 sind.
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Die Konfiguration des Zeigefingermechanismus 6 des empfindlichen Fingers ist oben im Detail beschrieben worden. Die Konfiguration des Mittelfingermechanismus 7, der auch der empfindliche Finger ist, ist identisch zu jener des Zeigefingermechanismus 6.
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Der Ringfingermechanismus 8 und der Kleine-Fingermechanismus 9, die als die Kraftfinger betrachtet werden, haben jeweils eine Konfiguration, die identisch ist zu der oben beschriebenen Konfiguration des Zeigefingermechanismus 6, außer dass der sechsachsige Kraftsensor 21 und der dritte Abtriebsfluiddruckzylinder 28 nicht vorgesehen sind. Mit dem Fehlen des dritten Abtriebsfluiddruckzylinders 28 dreht sich das MP2-Gelenk 16 des jeweiligen Ringfingermechanismus 8 und des Kleinen-Fingermechanismus 9 frei gemäß der Kraftoperation, und durch Vorspannung durch die Schraubenfeder 16s des MP2-Gelenks 16 kehren diese spontan zu ihrer vorbestimmten Position zurück.
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Nun wird die Konfiguration des Daumenmechanismus 5 beschrieben, der als der empfindliche Finger betrachtet wird. In Bezug auf 5 versehen mit einem ersten Abtriebsfluiddruckzylinder 29, der eine Drehwelle 191 des CM1-Gelenks 19 dreht (die erste Drehwelle Carpometacarpalgelenks), sowie einem zweiten Abtriebsfluiddruckzylinder 30, der eine Drehwelle 181 des MP-Gelenks 18 dreht.
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Der erste Abtriebsfluiddruckzylinder 29 hat einen Zylinderkörper 291, der als Drehwelle des CM2-Gelenks 20 (die zweite Drehwelle des Carpometacarpalgelenks) dient. Der Zylinderkörper 291 ist an dem Rahmen 10 der Basis 4 drehbar gelagert.
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Wie in den 2 und 5 gezeigt, ist die Drehwelle des CM2-Gelenks 20 (der Zylinderkörper 291 des ersten Abtriebsfluiddruckzylinders 29) derart angeordnet, dass sich seine Achslinie ”a”, bevorzugt mittig, zwischen dem Metacarpophalangealgelenk des Zeigefingermechanismus 6 und dem Metacarpophalangealgelenk des Mittelfingermechanismus 7 durch zur Richtung der Fingerspitzen des Zeigefingermechanismus 6 und des Mittelfingermechanismus 7, in ihren gestreckten Zuständen, erstreckt.
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Mit dieser Anordnung kann bei einer Operation des Einklemmens eines Objekts, die Fingerspitze des Daumenmechanismus 5 einem Mittelpunkt zwischen der Fingerspitze des Zeigefingermechanismus 6 und jenem des Mittelfingermechanismus 7 mit einer geringen Drehoperation um das CM2-Gelenk 20 herum gegenüber gestellt werden. Darüber hinaus kann die Fingerspitze des Daumenmechanismus 5 einer der Fingerspitzen des Zeigefingermechanismus 6 und des Mittelfingermechanismus 7 ausbalanciert oder ausgeglichen gegenüber gestellt werden.
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Demzufolge ist es möglich, ein Objekt stabil zu ergreifen, während ein unnötiges Moment um das CM2-Gelenk 20 herum unterdrückt wird. Ferner werden die von den sechsachsigen Kraftsensoren 21 erhaltenen Messerte genauer, um hierdurch eine hochgenaue Regelung der Kräfte an den Fingerspitzen der geschickten Finger zu gestatten.
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Ferner dient, wie auch in 5 gezeigt, der Zylinderkörper 291 des ersten Abtriebsfluiddruckzylinders 29 auch als Drehwelle des CM2-Gelenks 20, was zu einer kompakten Konstruktion führt, im Vergleich zu dem Fall, wo der erste Abtriebsfluiddruckzylinder 29 und die Drehwelle des CM2-Gelenks 20 separat vorgesehen sind. Darüber hinaus führt der Drehmoment des CM2-Gelenks 20 zu keinem Verschwenken des ersten Abtriebsfluiddruckzylinders 29, was Bedarf nach dessen Schwenkraum erübrigt. Dies gestattet eine extrem kompakte Konstruktion.
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Der zweite Abtriebsfluiddruckzylinder 30 hat einen Zylinderkörper 301, der mit dem ersten Abtriebsfluiddruckzylinder 29 über die Drehwelle 191 des CM1-Gelenks 19 drehbar verbunden ist.
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Die Drehwelle 191 des CM1-Gelenks 19 nimmt darin ein Rohr 304 auf, um dem Zylinderkörper 301 des zweiten Abtriebsfluiddruckzylinders 30 Fluid zuzuführen. Dies verhindert, dass sich das Rohr 304 mit der Drehung des CM1-Gelenks 19 stört, um hierdurch glatte Beuge- und Streckoperationen des Daumenmechanismus 5 zu gewährleisten.
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Das MP2-Gelenk 18 ist mit dem IP-Gelenk 17 über ein Verbindungsgelenk 31 verbunden. Das Fingerspitzenelement 22 ist mit einer Drehwelle 171 des IP-Gelenks 17 drehbar verbunden. An einem Ende des Verbindungselements 31 ist mit der Drehwelle 181 des MP2-Gelenks drehbar verbunden, und dessen anderes Ende ist mit der Drehwelle 171 des IP-Gelenks 17 verbunden.
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Ferner ist ein Kopplungselement 32 zwischen dem MP-Gelenk 18 und dem IP-Gelenk 17 vorgesehen. Das Kopplungselement 32 verbindet den Zylinderkörper 301 des zweiten Abtriebsfluiddruckzylinders 30 mit einem Trägerelement 33, das den sechsachsigen Kraftsensor 21 des Fingerspitzenelements 22 trägt.
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Der erste Abtriebsfluiddruckzylinder 29 hat einen Kolben 292, der gleitet, wenn in den Zylinderkörper 291 ein Fluid geleitet wird, so dass die Kolbenstange 293 ausfährt oder einfährt, um hierdurch das CM1-Gelenk 19 zu drehen. Dies bewirkt, dass der Daumenmechanismus 5 über das CM1-Gelenk 19 beugt oder streckt.
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Der zweite Abtriebsfluiddruckzylinder 30 hat einen Kolben 302, der gleitet, wenn in den Zylinderkörper 301 Fluid geleitet wird, so dass eine Kolbenstange 303 ausfährt oder einfährt, um hierdurch das MP-Gelenk 18 zu drehen. Wenn da das MP-Gelenk 18 mit dem IP-Gelenk 17 über das Verbindungselement 31 und das Kopplungselement 32 verbunden ist, dreht sich hierbei das IP-Gelenk 17 in Folge der Drehung des MP-Gelenks 18 durch den zweiten Abtriebsfluiddruckzylinder 30.
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Das IP-Gelenk 17 ist so konfiguriert, dass es sich mit der Drehung des MP-Gelenks 18 durch den zweiten Abtriebsfluiddruckzylinder 30 gekoppelt bewegt. Dies ermöglicht nicht nur ähnliche Operationen wie jene eines menschlichen Fingers, sondern kommt auch ohne einen Zylinder oder dergleichen zum Antrieb des IP-Gelenks 17 aus, um hierdurch eine Gewichtsreduktion des Daumenmechanismus 5 zu gestatten.
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Mit der oben beschriebenen Konfiguration erhält der Daumenmechanismus 5 einen gebogenen Zustand, wenn den Kolbenstangen 293 und 303 des ersten Abtriebsfluiddruckzylinders 29 und des zweiten Abtriebsfluiddruckzylinders 30 ausgefahren sind, während er einen gestreckten Zustand erhält, wenn die Kolbenstangen 293 und 303 eingefahren sind.
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Das CM2-Gelenk 20 des Daumenmechanismus 5 wird, wie in 3 gezeigt, durch einen dritten Abtriebsfluiddruckzylinder 34 gedreht, der eine Kolbenstange 343 aufweist, die in der Richtung, in der die Fingermechanismen angeordnet sind, ausfährt und einfährt.
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Der Daumenmechanismus 5 dreht sich in Richtung zur Fingerflächenseite der Basis 4, wenn die Kolbenstange 343 des dritten Abtriebsfluiddruckzylinders 34 ausfährt, während sich der Daumenmechanismus 5 in dem dem Zeigefingermechanismus 6 benachbarten Richtung dreht, wenn die Kolbenstange 343 des dritten Abtriebsfluiddruckzylinders 34 eingefahren wird.
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Wie in 5 gezeigt, wird dem Zylinderkörper 291 des ersten Abtriebsfluiddruckzylinders 29 über einen Fluidkanal 294, der innerhalb eines Lagerabschnitts 101 des Zylinderkörpers 291 des ersten Abtriebsfluiddruckzylinders 29, der als Drehwelle des CM2-Gelenks 20 dient, Fluid zugeführt.
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Dies ermöglicht eine glatte Drehung des Zylinderkörpers 291 des ersten Abtriebsfluiddruckzylinders 29, um hierdurch eine glatte Drehung des Daumenmechanismus 5 durch das CM2-Gelenk 20 zu gewährleisten.
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Wie in den 3 und 5 gezeigt, sind das MP-Gelenk 18, das CM1-Gelenk 19 und das CM2-Gelenk 20 jeweils mit Schraubenfedern 18s, 19s und 20s (Torsionsfedern) versehen.
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Die Schraubenfedern 18s und 19s des MP-Gelenks 18 und des CM1-Gelenks 19 spannen jeweils den Daumenmechanismus 5 in Streckrichtung vor. Die Schraubenfeder 20s des CM2-Gelenks 20, welche den Außenumfang des Zylinderkörpers 291 des ersten Abtriebsfluiddruckzylinders 29 umgibt, spannt den Daumenmechanismus 50 in der Richtung vor, in der er sich zu dem Zeigefingermechanismus 6 hin dreht. In anderen Worten, die Vorspannrichtungen der jeweiligen Schraubenfedern 18s, 19s und 20s sind so eingestellt, dass sie gleich den Einfahrrichtungen der Kolbenstangen 293, 303 und 343 der drei Abtriebsfluiddruckzylindern 29, 30 und 34 sind.
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Eine Mehrzahl von nicht gezeigten Berührungssensoren sind an vorbestimmten Position an den Fingerhautelementen 11, welche die Fingerkuppen des Handkörpers 2 bedecken, sowie an dem Basishautelement 12, das die Flächenseite der Hand abdeckt, vorgesehen.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Konfiguration beschrieben, die für jeden der Abtriebsfluiddruckzylinder 23, 24, 28, 29, 30 und 34, deren Darstellung in den 4 und 5 weggelassen worden ist, beschrieben.
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6 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Abtriebsfluiddruckzylinders 23. In Bezug auf 6 ist der Kolben 232 des Abtriebsfluiddruckzylinders 23 aus Kunststoff, z. B. Polyether-Etherketonharz) gebildet und ist mit einer Dichtung 232a versehen, die eine Druckkammer 234 des Zylinderkörpers 231 abdichtet, wie in 6 gezeigt.
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Ferner ist ein Kugelaufnahmeabschnitt 232b innerhalb des Kolbens 232 ausgebildet. An der Außenumfangsfläche des Kolbens 232, die mit der Innenfläche des Zylinderkörpers 231 in Gleitkontakt steht, ist eine Vertiefung 232c mit V-förmigem Querschnitt in der Umfangsrichtung ausgebildet.
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Die Kolbenstange 233 des Abtriebsfluiddruckzylinders 23 ist aus Metall gebildet (z. B. Leichtmetall, wie etwa Aluminiumlegierung) und hat an seinem proximalen Ende einen Kugelabschnitt 233a, wie in 6 gezeigt. Der Kugelabschnitt 233a ist in den Kugelaufnahmeabschnitt 232b des Kolbens 232 so eingesetzt, dass er mit dem Kolben 232 schwenkbar verbunden ist.
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Die Vertiefung 232c ist an der Außenumfangsfläche des Kolbens 232 zumindest in jenem Abschnitt ausgebildet, wo die Außenoberfläche des in den Kugelaufnahmeabschnitt 232b eingesetzten Kugelabschnitts 233a der Innenoberfläche des Zylinderkörpers 231 am nächsten (d. h. an jenem Abschnitt, der am meisten verformungsempfindlich ist, wenn der Kugelabschnitt 233a in den Kugelaufnahmeabschnitt 232b eingesetzt wird).
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Die oben beschrieben an der Außenumfangsoberfläche des Kolbens 232 ausgebildete Vertiefung 232c hat den Vorteil, dass, wenn der Kugelabschnitt 233a der Kolbenstange 233 in den Kugelaufnahmeabschnitt 232b eingepresst wird, hierbei die Vertiefung 232c die Verformung des Kolbens 232 absorbieren kann, auch wenn der Kugelaufnahmeabschnitt 232b mit dem Kugelabschnitt 233a unter Druck gesetzt und gespreizt wird.
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Dies verhindert, dass sich die Außenumfangsfläche des Kolbens 232 ausbaucht, wenn der Kugelabschnitt 233a in den Kugelaufnahmeabschnitt 232b eingesetzt wird, um hierdurch eine Zunahme vom Gleitwiderstand des Kolbens 323 in Bezug auf die Innenoberfläche des Zylinderkörpers 231 vermieden wird. Ferner reduziert die an der Außenumfangsfläche des Kolbens 232 ausgebildete Vertiefung 232c die Gleitkontaktfläche der Außenumfangsfläche des Kolbens 232 in Bezug auf die Innenoberfläche des Zylinderkörpers 231, so dass der Gleitwiderstand gering gehalten wird. Dies gewährleistet eine glatte Hin- und Herbewegung des Kolbens 232 innerhalb des Zylinderkörpers 231. Es wird angemerkt, dass die Querschnittsform der Vertiefung 232c nicht auf die V-Form beschränkt ist; sie kann z. B. auch U-förmig sein.
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Obwohl im Detail nicht gezeigt, haben die anderen Abtriebsfluiddruckzylinder 24, 28, 29, 30 und 34 die gleiche Konfiguration und sind in der Lage, ähnliche Effekte zu erzielen, wie jene des Abtriebsfluiddruckzylinders 23.
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Oben ist die Beschreibung der Konfiguration des Handkörpers 2. Nachfolgend wird die Antriebseinheit 3 beschrieben, welche zum Antrieb der Fingermechanismen des Handkörpers 2 konfiguriert ist.
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In Bezug auf 1 ist die Antriebseinheit 3 aufgebaut aus einer Antriebszylindereinheit 35, die außerhalb des Handkörpers 2 vorgesehen ist, einem Controller 36 (der Steuereinheit der vorliegenden Erfindung), der den Handkörper 2 über die Antriebszylindereinheit 35 steuert, und die oben beschriebene Abtriebsfluiddruckzylinder 23, 24, 28, 29 und 24.
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Die Antriebszylindereinheit 35 enthält eine Mehrzahl von Abtriebsfluiddruckzylindern 37, wie in 1 gezeigt.
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Der Antriebsfluiddruckzylinder 37 hat, wie in 7 gezeigt, einen Zylinderkörper 371 (den ersten Zylinderkörper der vorliegenden Erfindung), der als Arbeitsfluid dienendes Hydrauliköl enthält, und einen Kolben 372 (den ersten Kolben der vorliegenden Erfindung), der hin- und herbeweglich ist, während er mit dem Hydrauliköl innerhalb des Zylinderkörpers 371 eine Druckkammer 37a bildet.
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Der Kolben 372 hat einen hohlen Stangenabschnitt 372a (die erste Kolbenstange der vorliegenden Erfindung), deren distales Ende geschlossen und deren proximales Ende offen ist. Der Stangenabschnitt 372a hat eine Länge, die der Gesamtlänge des Zylinderkörpers 371 entspricht, und deren Umfangswand so konfiguriert ist, dass sie einen Außendurchmesser hat, die mit dem Innendurchmesser des Zylinderkörpers 371 in Gleitkontakt kommt. Am distalen Ende des Stangenabschnitts 372a ist eine Gummidichtung 372b vorgesehen.
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Vom einen offenen Ende des Stangenabschnitts 372a des Kolbens 372 ist ein Kugelgewinde 38 entlang der Achslinie des Stangenabschnitts 372a eingesetzt, und an dem Stangenabschnitt 372a ist eine Mutter 39 fest angebracht, so dass sie mit dem Kugelgewinde 38 schraubt. Das Kugelgewinde 38 wird von einem Motor 40 (der Drehantriebseinheit der vorliegenden Erfindung) drehend angetrieben, so dass der Kolben 372 über die Motor 39 ausfährt und einfährt. Der Motor 40 ist mit einem Codierer 41 versehen, um den Betätigungsbetrag zu erfassen.
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Der Motor 40 betreibt das Kugelgewinde 38 über einen Riemen 44 drehend an, der über Riemenscheiben 42 und 43 geschleift ist, welche als Drehübertragungseinheit dienen. Mit dieser Anordnung kommt eine Ausgangswelle 401 des Motors 40 parallel zur Achslinie des Stangenabschnitts 372a, so dass der Motor 40 dem Zylinderkörper 371 benachbart angeordnet werden kann, um hierdurch eine kompakte Konstruktion zu gestatten.
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Der Antriebsfluiddruckzylinder 37 ist in einer Lage angeordnet, wo der Kolben 372 in aufwärtiger Richtung einfährt, wobei das oben beschriebene eine Ende des Zylinderkörpers 371 an der Oberseite liegt (d. h. einer Lage, wo die Druckkammer 37a an der Unterseite angeordnet ist). Ein Führungselement 373 zum Führen des Kolbens 372, der zur Oberseite eingefahren wird, ist benachbart dem Antriebsfluiddruckzylinder 37 vorgesehen. Das Führungselement 373 führt den Kolben 372 in die Aufwärts- und Abwärtsrichtung in einem nicht drehbaren Zustand. Dem Oberende des Führungselements 373 benachbart ist ein Trägerelement 46 vorgesehen, das das Kugelgewinde 38 über das Lager 45 drehbar trägt.
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Zwischen dem Führungselement 373 und dem Zylinderkörper 371 ist ein Verbindungsblock 374 einstückig vorgesehen, um das Führungselement 373 mit dem Zylinderkörper 371 zu verbinden. Der Verbindungsblock 374 hat ein ringförmiges Dichtungselement 47, das mit dem Außenumfang des Kolbens 372 zur Abdichtung in Kontakt steht. Selbst wenn mit dieser Anordnung der Kolben 372 ausfährt oder einfährt, wird durch das Dichtungselement 47 der Zylinderkörper 371 zuverlässig im abgedichteten Zustand gehalten. Dies verbessert die Luftdichtigkeit des Zylinderkörpers 371, was eine effiziente Erzeugung des Hydrauliköldrucks gestattet.
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Ferner ist an der Innenumfangsfläche des Verbindungsblocks 374 ein Aufnahmeabschnitt 374a ausgebildet, dessen Innendurchmesser größer ist als jener des Zylinderkörpers 371, und der so konfiguriert ist, dass er einen distalen Endabschnitt des Kolbens 372 aufnimmt, wenn der Kolben 372 zum Oberende des Zylinderkörpers 371 einführt. Am Oberende des Zylinderkörpers 371 ist ein verjüngter Abschnitt 37b ausgebildet, der sich von der Druckkammer 37a des Zylinderkörpers 371 zum Aufnahmeabschnitt 374a anschließt, dessen Durchmesser manuell verändert wird. Der Aufnahmeabschnitt 374a erzeugt einen Raum ”s” zwischen sich selbst und dem Kolben 372. Wenn der distale Endabschnitt des Kolbens 372 in den Aufnahmeabschnitt 374a aufgenommen ist, steht die Druckkammer 37a des Zylinderkörpers 371 mit dem Raum ”s” zwischen dem Aufnahmeabschnitt 374a und dem Kolben 372 über den verjüngten Abschnitt 37b in Verbindung.
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Die Antriebszylindereinheit 35 hat einen Fluidspeichertank 48, der mit jedem der Antriebsfluiddruckzylinder 37 verbunden ist. Der Fluidspeichertank 48 speichert das Hydrauliköl (Flüssigkeit), das als Arbeitsfluid verwendet wird. Der Aufnahmeabschnitt 374a ist mit einem Durchgangsloch 374b versehen, das mit dem Fluidspeichertank 48 über ein erstes Rohr 481 verbunden ist, um das Hydrauliköl dorthin durchfließen zu lassen, sowie ein Entlüftungsloch 374c, der oberhalb des Durchgangslochs 374b ausgebildet ist, um Luft innerhalb des Zylinderkörpers 371 aus dem Aufnahmeabschnitt 374a abzulassen. Das Lüftungsloch 374c ist mit dem Fluidspeichertank 48 über ein zweites Rohr 482 verbunden. Das erste Rohr 481 ist mit dem Hydraulikölspeicherabschnitt in dem ersten Fluidspeichertank 48 verbunden, während das zweite Rohr 482 mit der Lufttasche oberhalb des Hydrauliköls in dem Fluidspeichertank 48 verbunden ist.
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Insgesamt dreizehn Antriebsfluiddruckzylinder 37 sind in der Antriebszylindereinheit 35 vorgesehen, welche jeweils den oben beschriebenen Abtriebsfluiddruckzylindern 23, 24, 28, 29, 30 und 34 entsprechen, die in dem Handkörper 2 angebracht sind. Wie schematisch in 1 dargestellt, sind die Antriebsfluiddruckzylinder 37 in der Antriebszylindereinheit 45 separat mit den jeweiligen Abtriebsfluiddruckzylinder 23, 24, 28, 29, 30 und 34 in dem Handkörper 2 über Fluiddruckübertragungsrohre 35 verbunden.
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Der Controller 36 ist, wie in 1 gezeigt, mit der Antriebszylindereinheit 35 über eine Signalleitung 46 verbunden, um das Beugen und Strecken der Fingermechanismen zu steuern/zu regeln, durch Einstellung der Arbeitsfluiddrücke, die von den Antriebsfluiddruckzylindern 37 zu den entsprechenden Abtriebsfluiddruckzylindern 23, 24, 28, 29, 30 und 34 übertragen werden.
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Ferner ist der Controller 36 mit dem Handkörper 2 über eine Signalleitung 47 verbunden, um die Antriebsfluiddruckzylinder 37 auf der Basis der Information zu steuern/zu regeln, die von den sechsachsigen Kraftsensoren 21 erhalten werden, die in den geschickten Fingern vorgesehen sind, d. h. dem Daumenmechanismus 5, dem Zeigefingermechanismus 6 und dem Mittelfingermechanismus 7, sowie auch von den vorgenannten Berührungssensoren. Auf diese Weise steuert/regelt der Controller 36 derart, dass die Fingermechanismen des Handkörpers 2 mit der oben beschriebenen Konfigurationen die Greifoperation durchführen, welche die menschliche Operation nachahmt.
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In der vorliegenden Ausführung erfasst der Controller 36 sowohl einen Ausgangsfluiddruck von jedem der Antriebsfluiddruckzylindern 37 als auch einen Eingangsfluiddruck zu jedem der Abtriebsfluiddruckzylinder 23, 24 ...). D. h., wie in 7 gezeigt, werden das an einem Fluiddurchgang 375, der an der Druckkammer 37a des Antriebsfluiddruckzylinders 37 ausgebildet ist, ein erster Drucksensor 48 vorgesehen ist, um den in der Druckkammer 37a erzeugten Ausgangsfluiddruck zu messen.
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Ferner ist, wie in 4 gezeigt, in der Nähe eines Fluiddurchgangs 235, der an der Druckkammer 234 des ersten Abtriebsfluiddruckzylinders 23 ausgebildet ist, ein zweiter Drucksensor 49 vorgesehen, um den auf die Druckkammer 234 wirkenden Eingangsfluiddruck zu messen.
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Obwohl in der Figur nicht gezeigt, sind der zweite Abtriebsfluiddruckzylinder 34 und die anderen Abtriebsfluiddruckzylinder, die in den Fingermechanismen vorgesehen sind, jeweils mit dem zweiten Drucksensor versehen, um den darauf wirkenden Eingangsfluiddruck zu messen.
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Wenn mit dieser Konfiguration, wie schematisch in den 8(a) und (b) gezeigt, Fluid von dem Antriebsfluiddruckzylinder 37 ausgegeben oder darin eingesaugt wird, wird das Fluid von dem entsprechenden Abtriebsfluiddruckzylinder 23 (24, 28, 29, 30 oder 34) eingespritzt oder ausgeworfen, wodurch der Fingermechanismus 6 (7, 8, 9 oder 5) durch den Antriebsfluiddruckzylinder 37 angetrieben wird.
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Falls hierbei unabsichtlich Luft ins Innere des Fluiddruckübertragungsrohrs 35 eingemischt ist, oder falls der Durchmesser des Fluiddruckübertragungsrohrs 35 durch Expansion oder Kontraktion geändert wird, was eine Änderung im Strömungswiderstand des Fluids hervorruft, könnte eine Differenz zwischen dem Ausgangsfluiddruck von dem Antriebsfluiddruckzylinder 37 und dem Eingangsfluiddruck an dem entsprechenden Abtriebsfluiddruckzylinder (23, 24 ...) auftreten.
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Der Controller 36 prüft die von dem ersten Drucksensor 48 und dem zweiten Drucksensor 49 gemessenen Fluiddrücke, um eine Verschlechterung des Ansprechverhaltens zu erfassen, was z. B. auf die in den Fluidströmungsweg gemischte Luft zurückgeht oder auf die Änderung im Strömungswiderstands des Fluids bei Ausdehnung/Kontraktion des Durchmessers des Fluiddruckübertragungsrohrs 45 zurückgeht. Dann korrigiert, entsprechend der Erfassung, der Controller 36 die Fluidausgabe und saugt Mengen an dem Antriebsfluiddruckzylinder 37 über den Motor 40, um hierdurch das Ansprechverhalten wieder zu erlangen.
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Dies stellt sicher, dass ausreichende Eingangsfluiddrücke auf die Abtriebsfluiddruckzylinder 23, 24 und die anderen einwirken, um die Fingermechanismen 6 (7, 8, 9 und 5) nach Wunsch zu beugen und zu strecken.
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Mit der außerhalb des Handkörpers 2 vorgesehenen Antriebszylindereinheit 35 bekommt der Handkörper 2 eine kompakte Größe und ein geringes Gewicht. Somit wird es möglich, den Handkörper 2 bereitzustellen, der angenähert die gleiche Größe wie z. B. eine typische menschliche Hand hat.
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Ferner werden die Fingermechanismen 5, 6, 7, 8 und 9 jeweils durch die Fluiddrücke der Antriebsfluiddruckzylinder 37 und der Abtriebsfluiddruckzylinder 23, 24, 28, 29, 30 und 34 betätigt. Dies garantiert eine ausreichend hohe Greifkraft trotz der kompakten Konstruktion.
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Ferner ist, wie in 7 gezeigt, der Zylinderkörper 371 des Antriebsfluiddruckzylinders 37 in einer Lage vorgesehen, wo die Druckkammer 37a an der Unterseite angeordnet ist. Daher bewegt sich Luft in dem Zylinderkörper 371 aufwärts, falls die in das Hydrauliköl eingemischte Luft in den Zylinderkörper 371 gelangt. Wenn der Kolben 372 derart eingefahren wird, dass sein distales Ende in dem Aufnahmeabschnitt 374a aufgenommen ist, bewegt sich die Luft in der Druckkammer 37a des Zylinderkörpers 371 über den verjüngten Abschnitt 37b in die Räume zwischen dem Aufnahmeabschnitt 374a und dem Kolben 372 und wird von dem Lüftungsloch 374c in die Lufttasche in dem Luftspeichertank 48 abgegeben.
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Wenn sich dann der Kolben 372 nach unten bewegt, tritt das distale Ende des Kolbens 372 durch den verjüngten Abschnitt 37b in die Druckkammer 37a des Zylinderkörpers 371 ein, so dass der Hydrauliköldruck von der Druckkammer 37a zuverlässig erhalten werden kann, während die Luft davon abgelassen wird. Wenn darüber hinaus der Kolben 372 durch den verjüngten Abschnitt 37b in die Druckkammer 37a eintritt, erhält der Aufnahmeabschnitt 374a einen Unterdruck, wodurch das Hydrauliköl in dem Fluidspeichertank 48 in den Aufnahmeabschnitt 374a gesaugt wird, so dass der Aufnahmeabschnitt 374a mit dem Hydrauliköl gefüllt wird. Dies vermeidet eine Abnahme der Füllmenge des Hydrauliköls innerhalb des Zylinderkörpers 371 aufgrund der ausgeworfenen Luft.
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Abtriebsfluiddruckzylinder 23, 24, 28, 29, 30 und 34 betätigt. Dies garantiert eine ausreichend hohe Greifkraft trotz der kompakten Konstruktion.
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Ferner ist, wie in 3 gezeigt, der Zylinderkörper 371 des Antriebsfluiddruckzylinders 37 in einer Lage vorgesehen, wo die Druckkammer 37a an der Unterseite angeordnet ist. Daher bewegt sich Luft in dem Zylinderkörper 371 aufwärts, falls die in das Hydrauliköl eingemischte Luft in den Zylinderkörper 371 gelangt. Wenn der Kolben 372 derart eingefahren wird, dass sein distales Ende in dem Aufnahmeabschnitt 374a aufgenommen ist, bewegt sich die Luft in der Druckkammer 37a des Zylinderkörpers 371 über den verjüngten Abschnitt 37b in die Räume zwischen dem Aufnahmeabschnitt 374a und dem Kolben 372 und wird von dem Lüftungsloch 374c in die Lufttasche in dem Luftspeichertank 48 abgegeben.
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Wenn sich dann der Kolben 372 nach unten bewegt, tritt das distale Ende des Kolbens 372 durch den verjüngten Abschnitt 37b in die Druckkammer 37a des Zylinderkörpers 371 ein, so dass der Hydrauliköldruck von der Druckkammer 37a zuverlässig erhalten werden kann, während die Luft davon abgelassen wird. Wenn darüber hinaus der Kolben 372 durch den verjüngten Abschnitt 37b in die Druckkammer 37a eintritt, erhält der Aufnahmeabschnitt 374a einen Unterdruck, wodurch das Hydrauliköl in dem Fluidspeichertank 48 in den Aufnahmeabschnitt 374a gesaugt wird, so dass der Aufnahmeabschnitt 374a mit dem Hydrauliköl gefüllt wird. Dies vermeidet eine Abnahme der Füllmenge des Hydrauliköls innerhalb des Zylinderkörpers 371 aufgrund der ausgeworfenen Luft.
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Falls z. B. die Fingermechanismen des Handkörpers 2 ein zylindrisches Objekt (nicht gezeigt) aufnehmen, steuert/regelt der Controller 36 die Fingermechanismen folgendermaßen:
Zuerst werden die geschickten Finger, d. h. der Daumenmechanismus 5, der Zeigefingermechanismus 6 und der Mittelfingermechanismen 7 veranlasst, eine Operation zum Klemmen des Objekts mit ihren Fingerspitzen durchzuführen.
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Hierbei wird die Achslinie ”a” der Drehwelle des CM2-Gelenks 20 (des Zylinderkörpers 291) (s. 2) so gelegt, dass sie sich mittig zwischen den Metacarpophalangealgelenk des Zeigefingermechanismus 6 und jenem des Mittelfingermechanismus 7 hindurch erstreckt, wobei die Fingerspitze des Daumenmechanismus 5 der Position zwischen den Fingerspitzen des Zeigefingermechanismus 6 und des Mittelfingermechanismus 7 glattgängig gegenüberliegt. Dies stabilisiert den Objektklemmzustand im hohen Maße.
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Anschließend werden der Daumenmechanismus 5, der Zeigefingermechanismus 6 und der Mittelfingermechanismus 7 dazu veranlasst, das Objekt zu ergreifen, bis das Objekt das Basishautelement 42 an der Handflächenseite berührt. Hierbei berechnet der Controller 36 den Ort, die Größe, die Lage und Anderes des Objekts auf der Basis der Information, die er von dem sechsachsigen Kraftsensoren 21 sowie von den Berührungssensoren erhält, die auf den Fingerhautelementen 11 an den Fingerkuppenseiten und dem Basishautelement 12 an der Handflächenseite angeordnet sind. Der Controller 36 betätigt den Daumenmechanismus 5, den Zeigefingermechanismus 6 und den Mittelfingermechanismus 7 auf der Basis der Berechnungsergebnisse und erlaubt, dass sie die Lage des Objekts geschickt manipulieren, während diese ausbalanciert werden, da sie ununterbrochen von der Klemmoperation zur Greifoperation übergeht.
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Weil darüber hinaus die Achslinie ”a” der Drehwelle des CM2-Gelenks 20 (des Zylinderkörpers 291) mittig zwischen dem Metacarpophalangealgelenk des Zeigefingermechanismus 6 und jenem des Mittelfingermechanismus 7 angeordnet ist, wird kein unnötiges Moment erzeugt, wodurch die Lage des Objekts auch während des Übergangs zur Greifoperation stabilisiert werden kann.
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Anschließend betätigt der Controller 36 den Ringfingermechanismus 8 und den Kleinen-Fingermechanismus 9, so dass der Ringfingermechanismus 8 und der Kleine-Fingermechanismus 9, die als die Kraftfinger betrachtet werden, das Objekt mit relativ starker Kraft ergreifen. Danach greifen der Daumenmechanismus 5, der Zeigefingermechanismus 6 und der Mittelfingermechanismus 7 das Objekt mit relativ starker Kraft.
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Die oben beschriebenen Operationen werden unter der Steuerung/Regelung des Controllers 36 durchgeführt, um die Objektgreifoperation zu ermöglichen, die jene einer menschlichen Hand nachahmen. Ferner erhalten die Fingermechanismen separate Rollen als die geschickten Finger und die Kraftfinger. Daher ist es nur erforderlich, die sechsachsigen Kraftsensoren 21 an den Daumenmechanismus, den Zeigefingermechanismus 6 und den Mittelfingermechanismus 7, welche die geschickten Finger sind, vorzusehen, während der Ringfingermechanismus 8 und der Kleine-Fingermechanismus 9 mit kleiner Größe und geringem Gewicht hergestellt werden können.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die fünffingrige Handvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet eine Größen- und Gewichtsreduktion, während sie ähnliche Operationen wie jene einer menschlichen Hand implementiert und für eine ausreichend hohe Greifkraft sorgt, so dass sie an einem humanoiden Roboter geeignet anwendbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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