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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht gemäß 35 U.S.C. 119(e) die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/934,628 mit dem Titel DIRECT DRIVE MOTOR FOR ROBOTIC FINGER vom 31. Januar 2014. Diese Anmeldung ist mit der vorläufigen US-Anmeldung mit der Seriennummer 13/927,076 und dem Titel ROBOTIC FINGER vom 25. Juni 2013 verwandt. Der Inhalt der vorstehend genannten Anmeldungen ist hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen.
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Erfindungsfeld
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Die Erfindung betrifft allgemein menschliche Gliedmaßen nachahmende Roboter und insbesondere einen Motor für einen Roboterfinger.
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Hintergrund
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Es gibt viele Aufgaben in modernen Arbeitsumgebungen, die durch menschliche Hände erledigt werden. Einige dieser Aufgaben sind stark repetitiv und verursachen Probleme des Karpaltunnels. Andere Aufgaben finden in gefährlichen Umgebungen statt. Weitere Aufgaben erfordern extrem präzise Bewegungen und übersteigen allmählich die menschlichen Fähigkeiten. Roboter können verwendet werden, um menschliche Hände für die oben genannten Zwecke zu ersetzen.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt gibt die Erfindung einen Direktantriebsmotor für einen Roboterfinger an. Der Motor kann eine Vielzahl von sich drehenden Komponenten und eine Vielzahl von sich nicht drehenden Komponenten enthalten. Die Vielzahl von sich drehenden Komponenten enthält eine mittlere Drehwelle, die durch eine Vielzahl von Spulen umschrieben wird. Die Vielzahl von sich nicht drehenden Komponenten enthält eine Vielzahl von äußeren Magneten, die um die Vielzahl von Spulen herum angeordnet sind. Der Direktantriebsmotor umfasst weiterhin einen Doppelmagnetkreis, der aus einigen aus der Vielzahl von sich drehenden Komponenten und sich nicht drehenden Komponenten gebildet wird. Der Doppelmagnetkreis umfasst einen äußeren Kreis und einen inneren Kreis, wobei der äußere Kreis wenigstens die Vielzahl von äußeren Magneten und die Vielzahl von Spulen umfasst und wobei der innere Kreis wenigstens die Vielzahl von Spulen und die mittlere Drehwelle umfasst.
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Gemäß einem anderen Aspekt kann der Direktantriebsmotor für einen Roboterfinger eine Vielzahl von äußeren Magneten umfassen, die in einer ringförmigen Konfiguration angeordnet sind. Der Direktantriebsmotor kann eine Spulenanordnung enthalten, die eine Vielzahl von Spulen, die durch die Vielzahl von äußeren Magneten umgeben werden, umfasst, wobei die Spulenanordnung angeordnet ist, um sich relativ zu der Vielzahl von äußeren Magneten zu drehen. Die Vielzahl von Spulen kann in einer ringförmigen Konfiguration angeordnet sein und erzeugt ein Magnetfeld, wenn Strom durch sie geführt wird. Der Direktantriebsmotor kann auch eine Vielzahl von inneren Magneten umfassen, die durch die Vielzahl von Spulen umgeben werden. Ein Kernelement kann durch die Vielzahl von inneren Magneten umgeben werden. Eine mittlere Drehwelle kann in einem Innenraum angeordnet sein, der durch das Kernelement umschrieben wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Merkmale, die Beschaffenheit und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen verdeutlicht, in denen durchgehend ähnliche Bezugszeichen verwendet werden, um einander entsprechende Teile anzugeben.
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1A ist eine perspektivische Ansicht eines Direktantriebsmotors gemäß der Erfindung.
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1B ist eine perspektivische Ansicht eines Direktantriebsmotors gemäß der Erfindung, der mit einem Linearcodierer für das Vorsehen einer Positionsrückmeldung ausgestattet ist.
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2A ist eine Endansicht eines Direktantriebsmotors, der mit einem Linearcodierer ausgestattet ist.
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2B ist eine Seitenansicht des Direktantriebsmotors von 2A.
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2C ist eine Schnittansicht des Direktantriebsmotors von 2A.
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3 ist eine Ansicht eines teilweise demontierten Zustands und zeigt sich drehende Komponenten und sich nicht drehende Komponenten eines Direktantriebsmotors gemäß der Erfindung.
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4 ist eine perspektivische Ansicht eines Roboterfingers, der einen Satz von Direktantriebsmotoren gemäß der Erfindung enthält.
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5 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Anordnung eines Direktantriebsmotors und einer assoziierten Steuereinrichtung.
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6A ist eine Ansicht eines teilweise demontierten Zustands und zeigt einen Direktantriebsmotors, der Drehbeschränkungselemente enthält, die konfiguriert sind, um eine Drehung von sich drehenden Komponenten des Motors auf einen gewünschten Bereich zu begrenzen.
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6B ist eine Ansicht eines montierten Zustands des Direktantriebsmotors von 6A.
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Ausführliche Beschreibung
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In der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beschreibung bilden und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Es ist zu beachten, dass auch andere Ausführungsformen realisiert werden können und dass der Aufbau der hier beschriebenen und gezeigten Ausführungsformen verändert werden kann, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
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Unter „beispielhaft” ist hier „als ein Beispiel oder eine Veranschaulichung dienend” zu verstehen. Ein hier als „beispielhaft” bezeichneter Aspekt oder Aufbau ist notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Aspekten oder Aufbauten zu verstehen.
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Es ist zu beachten, dass die spezifische Reihenfolge oder Hierarchie der Schritte in den hier beschriebenen Prozessen lediglich einen beispielhaften Ansatz darstellt. Je nach den Präferenzen des Entwurfs kann die spezifische Reihenfolge oder Hierarchie der Schritte in den Prozessen umgeordnet werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
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Im Folgenden werden verschiedene Aspekte der Technik der Erfindung im Detail beschrieben und werden Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, wobei durchgehend gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um einander entsprechende Elemente anzugeben.
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Es werden hier Ausführungsformen eines Motors beschrieben, der ausgebildet ist, um zum Beispiel als ein Servodirektantriebsmotor für ein Roboterfingergelenk zu dienen. Ausführungsformen des Motors sehen vorteilhafterweise ein hohes Ausgabedrehmoment bei einer relativ kleinen Packungsgröße (z. B. mit einem Durchmesser von 20 bis 30 nm) vor. Außerdem benötigen Ausführungsformen des Motors relativ wenig Strom und vermeiden somit eine Überhitzung.
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Der hier angegebene Motor kann in Verbindung mit Roboterfingern verwendet werden, die ausgebildet sind, um den Bewegungsbereich von menschlichen Fingern zu emulieren. Ein menschlicher Finger umfasst drei Gelenke, von denen sich zwei über einen maximalen Bereich von ungefähr 90 Grad bewegen können, während das dritte sich über einen Bereich von ungefähr 30 Grad bewegen kann.
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In einer Ausführungsform berücksichtigt der Aufbau des Motors, dass der Motor nicht mit vollständigen Drehungen von 360 Grad zu laufen braucht, um das Verhalten eines menschlichen Fingers nachzuahmen, sondern dass unter Umständen Drehungen von 90 oder 30 Grad ausreichend sind.
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Dementsprechend ist der Motor in einer Ausführungsform ein Teildrehungs-Spulenmotor. Der Teildrehungsmotor kann vorteilhafterweise derart konfiguriert sein, dass er eine leichte Bewegungsmasse aufweist, wodurch eine schnelle Reaktion und ein geringer Stromverbrauch ermöglicht werden.
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Im Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Direktantriebsmotors 100A gemäß der Erfindung. Wie in 1A gezeigt, kann der Direktantriebsmotor 100A eine Spule 104 und eine mittlere Drehwelle 108 umfassen. Der Motor 100A umfasst weiterhin ein Motorgehäuse 112, das eine Vielzahl von äußeren Magneten 116 umgibt. Während des Betriebs des Antriebsmotors 100A veranlasst ein Doppelmagnetkreis (weiter unten beschrieben), der eine Vielzahl von Spulen 120 enthält, dass sich eine Vielzahl von sich drehenden Komponenten einschließlich der Spule 104 und der mittleren Drehwelle 108 um ihre Längsachse A drehen. Das Motorgehäuse 112, die Vielzahl von äußeren Magneten 116 und eine Rückplattenhalterung 114 drehen sich nicht während des Betriebs des Antriebsmotors 100A.
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1B ist eine perspektivische Ansicht eines Direktantriebsmotors 100B gemäß der Erfindung, der mit einem Linearcodierer für das Vorsehen einer Positionsrückmeldung ausgestattet ist. In einer Ausführungsform ist der Direktantriebsmotor 100B im Wesentlichen identisch mit dem Direktantriebsmotor 100A, enthält jedoch weiterhin eine Linearcodiereranordnung 150 mit einer Linearcodierer-Rückmeldungsskala 154 und einem Linearrückmeldungsskala-Lesekkopf 158. Die Linearcodierer-Rückmeldungsskala 154 wird durch eine Linearskalahalterung 162 gehalten. Wie weiter unten erläutert, gibt der Lesekopf 158 an ein externes Berechnungselement oder eine entsprechende Einrichtung (nicht gezeigt) Positionsrückmeldungsinformationen mit Bezug auf die Drehung der Vielzahl von sich drehenden Komponenten des Direktantriebsmotors 100B aus.
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2A, 2B und 2C sind jeweils End-, Seiten- und Schnittansichten des Direktantriebsmotors 100B von 1B.
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Im Folgenden wird die Aufmerksamkeit auf 3 gerichtet, die eine teilweise im demontierten Zustand gezeigte Ansicht eines Direktantriebsmotors 300 mit einer Linearcodieranordnung für das Vorsehen von Positionsrückmeldungsinformationen gemäß der Erfindung ist. Insbesondere enthält der Direktantriebsmotor 300 eine Vielzahl von sich drehenden Komponenten 304 und eine Vielzahl von sich nicht drehenden Komponenten 308. In einer bestimmten Implementierung umfasst die Vielzahl von sich drehenden Komponenten 304 einen Satz von neun Spulen 312, die derart angeordnet sind, dass sie einen ringförmigen Aufbau bilden. In anderen Implementierungen kann auch eine andere Anzahl von Spulen 312 (z. B. 6, 12 oder 18 Spulen) verwendet werden. Die Spulen 312 können wie bürstenlose Gleichstromspulen mit einem Abstand von 40 Grad verwendet werden. In anderen Ausführungsformen können die Spulen aus einem flachen Draht bestehen. Es ist zu beachten, dass auch andere Anzahlen wie etwa eine Reihe von neun Spulen oder drei parallele Spulen verwendet werden können. Die Spulen können in einer Y-Anordnung oder in Reihe verdrahtet sein. In einer Ausführungsform sind die Spulen im Wesentlichen rechteckig und mit einem Radius gegossen, der einen Anordnungsdurchmesser von 18,8 mm und einen Gesamtwiderstand von 30 Ohm vorsieht. Die Spulen 312 sind an einer Anschlussplatte 316 befestigt. Zum Beispiel können die Spulen 312 auf die Anschlussplatte 316 geklebt werden oder kann ein gegossener Aufbau (nicht gezeigt) zum Aufnehmen der Spulen 312 auf der Anschlussplatte 316 vorgesehen sein.
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Wie in 3 gezeigt, enthält die Vielzahl von sich nicht drehenden Komponenten eine Vielzahl von inneren Magneten 328 und einen Stahlkern 332. Eine zylindrische Hülse 340, die so dimensioniert ist, dass sie die mittlere Drehwelle 108 umschreibt, wird durch den Stahlkern 332 umgeben. In einer Ausführungsform umfasst die Vielzahl von sich nicht drehenden Komponenten 308 eine Rückplatte 350, die mit einer Vielzahl von kreisförmigen Kanälen konfiguriert ist, um den Rest der sich nicht drehenden Komponenten 308 zu führen und zu zentrieren.
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Während des Betriebs des Direktantriebsmotors 300 wird Strom durch die Spulen 312 eingeführt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, dessen Richtung von der Flussrichtung des Stroms durch die Spulen 312 abhängt. Die Größe des Magnetfelds entspricht der Anzahl von Drehungen, die mit jeder Spule assoziiert sind, und der durch das leitende Material geführten Stromstärke. Es ist zu beachten, dass ein beliebiger Typ von leitendem Material mit variierenden Spezifikationen verwendet werden kann. Es ist weiterhin zu beachten, dass die Spulen 312 auf beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Weise elektrisch mit einer Stromquelle und/oder miteinander verbunden sein können.
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Die äußeren Magneten 116 können zum Beispiel im Wesentlichen rechteckig mit einem gekrümmten Querschnitt wie in 3 gezeigt sein und können mit einer Innenwand des Motorgehäuses 112 gekoppelt sein. Zum Beispiel können die äußeren Magneten 116 während der Herstellung mittels verschiedener Kleber und/oder Schrauben mit dem Motorgehäuse 112 gekoppelt werden. Die äußeren Magneten 116 können angepasst werden, um eine magnetische Verbindung zu den sich drehenden Komponenten 304 herzustellen, wenn ein Magnetfeld in den Spulen 312 vorhanden ist. Durch das wiederholte Wechseln der Richtung, in welcher der Strom durch die Spulen 312 fließt, kann wiederholt eine Drehkraft auf die sich drehenden Komponenten 304 ausgeübt werden, sodass sich die Komponenten 304 um die Längsachse A drehen.
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Wie weiter oben genannt, enthält die Linearcodiereranordnung 150 eine Linearcodierer-Rückmeldungsskala 154 und einen Linearrückmeldungsskala-Lesekopf 158. Die Linearcodierer-Rückmeldungsskala 154 wird durch eine Linearskalahalterung 162 gehalten. Die Linearcodiereranordnung 150 kann auch einen Rückmeldungsschaltungsaufbau (nicht gezeigt) in Verbindung mit der Linearcodierer-Rückmeldungsskala 154 aufweisen, um eine lineare Positionsrückmeldung für zum Beispiel eine Steuereinrichtung (wie etwa einen fernen Computer) anzugeben. Der Linearrückmeldungsskala-Lesekopf 158 (z. B. ein Sensor, ein Transducer usw.) kann mit der die Position codierenden Linearcodierer-Rückmeldungsskala 154 gepaart sein. Der Linearrückmeldungsskala-Lesekopf 158 kann die Linearcodierer-Rückmeldungsskala 154 lesen und die codierte Position zu einem analogen oder digitalen Signal wandeln. Dieses kann dann wiederum durch eine digitale Auslesung (DRO) oder eine Bewegungssteuereinrichtung (nicht in 1–3 gezeigt) zu Positionsdaten decodiert werden. Die Linearcodiereranordnung 150 kann in inkrementellen oder absoluten Modi betrieben werden. Eine Bewegung kann zum Beispiel durch eine Änderung der Position über die Zeit bestimmt werden. Linearcodierertechnologien können zum Beispiel optisch, magnetisch, induktiv oder kapazitiv sein oder einen Wirbelstrom nutzen. Optische Linearcodierer sind in hoch auflösenden Anwendungen üblich (z. B. in der Halbleiterbranche und/oder in der Biotechnologiebranche) und können ein Shuttering/Moiré-, ein Beugungs- oder ein holografisches Prinzip verwenden. Typische inkrementelle Skalenperioden können von hunderten von Mikrometern bis hinab in den Submikrometerbereich reichen, wobei eine folgende Interpolation feine Auflösungen von nur 1 nm liefern können. Die Linearcodiereranordnung 150 kann eine Auflösung im Bereich von zum Beispiel 5 Mikrometer bis 50 nm aufweisen. In anderen Ausführungsformen können Codierer mit einer feineren Auflösung verwendet werden, die Auflösungen von bis zum Beispiel 1 nm vorsehen können.
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Die Linearcodierer-Rückmeldungsskala 154 kann eine Reihe von Streifen oder Markierungen aufweisen, die sich entlang der Länge der Linearcodierer-Rückmeldungsskala 154 erstrecken. Während des Betriebs des Direktantriebsmotors 100B/300 kann der Linearrückmeldungsskala-Lesekopf 158 (z. B. eine optische Leseeinrichtung) die Anzahl von gelesenen Streifen oder Markierungen zählen, um die aktuelle Position der sich drehenden Komponenten 304 relativ zu den sich nicht drehenden Komponenten 308 zu bestimmen. In einigen Fällen können die aufgezeichneten Positionsdaten an eine ferne Einrichtung für Überwachungszwecke gesendet werden. In einigen Fällen kann ein Benutzer einen oder mehrere Werte an einer fernen Einrichtung (wie etwa einem verbundenen Computer) eingeben, um die Größe einer für eine bestimmte Aufgabe gewünschten Drehung anzugeben. Diese Werte können dann an eine elektrisch mit der Linearcodiereinrichtung 150 verbundene Steuereinrichtung (nicht in 1–3 gezeigt) gesendet werden, sodass die relative Drehung der Vielzahl von sich drehenden Komponenten 304 gemäß den spezifizierten Werten eingestellt werden kann. Der Direktantriebsmotor 100/300 kann eine beliebige Anzahl von elektrischen Verbindungen aufweisen und kann eine beliebige Anzahl von elektronischen Steuersequenzen durchlaufen. Außerdem kann der Direktantriebsmotor 100/300 in einigen Ausführungsformen eine beliebige Anzahl von digitalen und/oder analogen On-Board-Schaltungsaufbauten enthalten, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Wie wiederum in 3 gezeigt können Ausführungsformen des Direktantriebsmotors einen Doppelmagnetkreis verwenden, um ein höheres Drehmoment zu erhalten. Insbesondere bilden die äußeren Magneten 320, das Stahlgehäuse 324 des Motors und die Spulen 312 einen ersten Kreis. Die Spulen 312, die inneren Magneten 328 und die mittlere Drehwelle 108 bilden einen zweiten Kreis. Es wird davon ausgegangen, dass diese Anordnung ein wesentlich größeres Drehmoment vorsieht als es durch standardmäßige bürstenlose Motoren, die nur einen einzelnen „äußeren” Kreis verwenden, vorgesehen werden kann.
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In einem Beispiel weist eine Einheit, die unter Verwendung dieser Anordnung entwickelt wurde, einen Durchmesser von 26 mm auf und erzeugt ein Drehmoment von 0,13 Nm. Dies ergibt in einer Entfernung von 30 nm von der Mitte des Motors eine resultierende Kraft von 6,5 N (bei einer Gleichspannung von 48 V und 2 A). Dies ist etwas weniger, aber vergleichbar mit der Kraft von 8 bis 10 N, die durch einen gewöhnlichen menschlichen Finger an der gleichen Distanz von dem dritten Gelenk erzeugt wird.
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Wie weiter unten mit Bezug auf 6 erläutert, können Ausführungsformen des Direktantriebsmotors verschiedene Drehbeschränkungselemente enthalten, die angeordnet sind, um eine Drehung der sich drehenden Komponenten 304 auf eine gewünschte Größe (z. B. ±90 Grad) um die Drehachse A (1A) zu beschränken.
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Es wurden Ausführungsformen des Direktantriebsmotors, die einen Halbach-Magnetaufbau verwenden, simuliert und getestet. Dadurch kann das Drehmoment um ungefähr 30% relativ zu anderen Ausführungsformen vergrößert werden, sodass die erzeugte Kraft auf 8,45 N erhöht werden kann. Derartige Ausführungsformen können geeignet für Anwendungen sein, die die Ausübung von ähnlichen Kräften wie durch menschliche Finger erfordern. In beispielhaften Ausführungsformen dieses Typs können die Spulenzwischenräume ungefähr 0,15 mm groß sein.
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Die hier beschriebenen Motoren können als Robotergelenkantriebe verwendet werden, um menschenähnliche Fähigkeiten vorzusehen. Die Verwendung eines direkten Antriebs hat zur Folge, dass der Motor relativ nachgiebig gegenüber externen Kräften ist, sodass sich also der Motor frei bewegt, wenn äußere Kräfte ausgeübt werden. Dies steht im Gegensatz zu dem typischen Verhalten von mit einem Getriebe versehenen Motoren, die blockieren können und beschädigt werden können, wenn eine derartige externe Kraft ausgeübt wird.
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Im Folgenden wird die Aufmerksamkeit auf 4 gerichtet, die eine perspektivische Ansicht eines Roboterfingers 400 einschließlich eines Satzes von Direktantriebsmotoren gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist. Der Roboterfinger 400 weist drei Bewegungsachsen auf: eine Achse 1, eine Achse 2 und eine Achse 3. Wie gezeigt, enthält der Roboterfinger 400 einen Achse-1-Direktantriebsmotor 410', einen Achse-2-Direktantriebsmotor 410'' und einen Achse-3-Direktantriebsmotor 410'''. Die Achse 1, die Achse 2 und die Achse 3 sehen in dem gezeigten Beispiel jeweils Bereiche von ±15 Grad, ±45 Grad und ±45 Grad vor, wobei jedoch andere Variationen von Direktantriebsmotoren 410 auch andere Bereiche aufweisen können. Die Direktantriebsmotoren 410 können derart implementiert werden, dass sie zum Beispiel im Wesentlichen identisch mit dem Direktantriebsmotor 100A oder 100B sind, wobei sie jedoch derart konfiguriert sind, dass sie die durch den Roboterfinger 400 erforderlichen Bereiche vorsehen. Insbesondere kann der Achse-1-Motor 410' ein erstes längliches Glied 420 über ±15 Grad um die Achse 1 bewegen, kann der Achse-2-Motor 410'' ein zweites längliches Glied 430 über ±45 Grad um die Achse 2 bewegen und kann der Achse-3-Motor 410''' ein drittes längliches Glied 440 um ±45 Grad um die Achse 3 bewegen. Wie gezeigt, enthält das dritte längliche Glied 440 ein Fingerspitzenelement 450.
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5 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Anordnung 500 des Direktantriebsmotors 300 und einer assoziierten Steuereinrichtung 510. In der Ausführungsform von 5 kann der Motor 300 in einem Gelenk eines Roboterfingers 520 integriert sein oder auf andere Weise mechanisch mit dem Roboterfinger 520 gekoppelt sein. Während des Betriebs des Motors 300 sieht der Lesekopf 158 des Linearcodierers ein Rückmeldungssignal vor, das Informationen zu der Position oder Winkelausrichtung der Spule 104 und/oder der mittleren Drehwelle 108 enthält. Die Steuereinrichtung 510 verarbeitet das Rückmeldungssignal und sieht ein Steuersignal zu dem Motor 300 vor, um die Drehung der Spule 104 und/oder der mittleren Drehwelle 108 einzustellen und dadurch den Roboterfinger 520 gemäß den nachfolgend beschriebenen Prozeduren zu bewegen.
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Insbesondere kann der hier beschriebene Direktantriebsmotor auch konfiguriert sein, um eine „weiche Landung” und programmierbare Kraftmethoden, die durch den Inhaber der vorliegenden Anmeldung patentiert wurden, zu implementieren. Diese gestatten, dass sich ein Roboterfinger
520 den Fähigkeiten eines menschlichen Fingers zum weichen Kontaktieren von Oberflächen und anschließenden Ausüben einer Kraft annähert. In einer Ausführungsform sendet der Motor
300 Messungen von seinem Linearcodierer an die Steuereinrichtung
510, um die präzise Drehposition um die Achse A anzugeben. Auf diese Weise kann ein Teil des Roboterfingers
520 oder eines anderen Mit dem Motor
300 gekoppelten mechanischen Elements zu einer Näherungsposition relativ nahe, aber mit einem sicheren Abstand von einer Zielfläche
530 eines interessanten Objekts bewegt werden. Von der Näherungsposition aus kann optional eine „weiche Landung” durchgeführt werden, bei der der Roboterfinger
520 durch den Motor
300 derart in einen Kontakt mit der Zielfläche
530 gebracht wird, dass weder der Roboterfinger
520 noch die Fläche
530 beschädigt wird. Weitere Informationen zu der weichen Landung sind in dem
US-Patent Nr. 5,952,589 mit dem Titel „Soft Landing Method for Tool Assembly” (nachfolgend einfach als „589-Patent” bezeichnet) und in der US-Veröffentlichung Nr. 2005/0234565 mit dem Titel „Programmable Control System for Automated Actuator Operation” beschrieben, die hier beide vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen sind.
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Wie in dem '589-Patent beschrieben, umfasst die Weiche-Landung-Prozedur gewöhnlich das Platzieren des Roboterfingers 520 an einer Näherungsposition. Diese Näherungsposition kann willkürlich gemäß den Wünschen des Bedieners bestimmt werden, wobei die Näherungsposition jedoch gewöhnlich den Roboterfinger 520 vorzugsweise viel näher als ungefähr 1 mm von der Zielfläche 530 entfernt platziert. Die Näherungsposition ist allgemein von den Eigenschaften der Zielfläche 530 abhängig, wobei die Näherungsposition näher an Objekten mit glatten Zielflächen als an solchen mit raueren Oberflächen vorgesehen werden kann, ohne dass dadurch das Risiko eines erzwungenen und unabsichtlichen Kontakts wesentlich erhöht wird. In jedem Fall wird der Roboterfinger 520 an der Näherungsposition für eine folgende Bewegung entlang eines Pfads von der Näherungsposition zu einem weichen Kontakt mit einem vorbestimmten Punkt auf der Zielfläche 530 platziert.
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Zu Beginn wird der Roboterfinger 520 stationär an der Näherungsposition gehalten. Dann werden die Größen der Kräfte, die derart wirken, dass sie den Roboterfinger 520 stationär halten, durch den Motor geändert, bis die inhärenten statischen Reibungskräfte, die auf den Roboterfinger 520 gewirkt haben, überwunden werden. Wenn die statischen Reibungskräfte überwunden wurden, wird das System dynamisch und schreitet der Roboterfinger 520 zu der Zielfläche 530 unter dem Einfluss der resultierenden Kraft fort.
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Wenn der Roboterfinger 520 zu der Zielfläche 530 fortschreitet, wird er schnell in einem Positionsmodus bis zu der Näherungsposition bewegt. Von der Näherungsposition schreitet der Roboterfinger 520 in einem Weiche-Landung-Modus fort, bis ein Kontakt mit der Zielfläche 530 hergestellt wird. Insbesondere sind verschiedene Steuermodi für einen Betrieb zum Bestimmen eines weichen Kontakts möglich. Jeder dieser Steuermodi hängt von einem messbaren Parameter ab, der charakteristisch für die Bewegung des Roboterfingers 520 ist. Diese messbaren Parameter umfassen i) die Bewegungsposition des Fingers auf dem Pfad zu der Fläche 530 (Positionssteuermodus), ii) die Geschwindigkeit (Geschwindigkeitssteuermodus) und iii) die Beschleunigung/Verlangsamung des Fingers 520 (Drehmomentsteuermodus). In einer alternativen Ausführungsform wird keine der oben genannten messbaren Parameter überwacht, wobei statt dessen gestattet wird, dass der Finger 520 lediglich in einen weichen Kontakt mit der Zielfläche 530 unter dem Einfluss der resultierenden Kraft fortschreitet (Basismodus). Der Positionssteuermodus, der Geschwindigkeitssteuermodus und der Drehmomentsteuermodus werden in dem '589-patent im größeren Detail beschrieben.
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In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 510 zum Beispiel eine Galil DMC31012-Steuereinrichtung mit einem eingebauten Verstärker und einem 16-Bit-Analogausgang sein.
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Wie bekannt ist, kann die Steuereinrichtung 510, die etwa eine Servosteuereinrichtung ist, Steuersignale für das Betreiben des Motors 300 erzeugen. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 510 gemäß programmierten Befehlen, die gewöhnlich in der Form einer Software vorgesehen sind, Steuersignale erzeugen und diese Steuersignale an den Motor 300 ausgeben, um eine Bewegung des Roboterfingers 520 zu veranlassen. In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung 510 programmiert, um den Motor 300 in Abhängigkeit von der besonderen Anwendung, für die der Finger 300 genutzt wird, zu steuern. Gewöhnlich ist ein Computer (nicht gezeigt) mit der Steuereinrichtung 510 gekoppelt, um Software (einen Code, der einen Satz von auszuführenden Befehlen darstellt) in einer Programmiersprache zu erzeugen und an die Steuereinrichtung 510 für eine spezifische Anwendung zu übertragen. Wenn eine derartige Software an der Steuereinrichtung 510 ausgeführt wird, weist sie den Motor 300 an, den Roboterfinger 520 auf eine für die besondere Anwendung oder Aufgabe spezifische Weise zu bewegen.
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Beispiele für einen Computercode sind etwa ein Mikrocode oder Mikrobefehle, Maschinenbefehle wie sie etwa durch einen Compiler vorgesehen werden, ein Code für das Erzeugen eines Webdiensts und Dateien mit darin enthaltenen Befehlen einer höheren Ebene, die durch einen Computer unter Verwendung eines Interpreters ausgeführt werden. Zum Beispiel können Ausführungsformen unter Verwendung von imperativen Programmiersprachen (z. B. C, Fortran, usw.), funktionellen Programmiersprachen (Haskell, Erlang, usw.), logischen Programmiersprachen (z. B. Prolog), objektorientierten Programmiersprachen (z. B. Java, C++, usw.) oder anderen geeigneten Programmiersprachen und/oder Entwicklungstools implementiert werden. Weitere Beispiele für einen Computercode sind etwa Steuersignale, ein verschlüsselter Code und ein komprimierter Code.
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Im Folgenden wird die Aufmerksamkeit auf 6A gerichtet, die eine teilweise im demontierten Zustand gezeigte Ansicht eines Direktantriebsmotors 600 mit darin enthaltenen Drehbeschränkungselementen zum Begrenzen einer Drehung von sich drehenden Komponenten des Motors 600 auf einen gewünschten Bereich (z. B. 90 Grad) ist. 6B ist eine Ansicht des montierten Zustands des Direktantriebsmotors 600. Wie in 6A gezeigt, enthält der Direktantriebsmotor 600 einen Satz von 9 sich drehenden Spulen 612, die angeordnet sind, um einen ringförmigen Aufbau zu bilden. In anderen Implementierungen kann eine andere Anzahl von Spulen 612 verwendet werden (z. B. 6, 12 oder 18 Spulen). Diese Spulen 612 können wie bürstenlose Gleichstromspulen mit einem Abstand von 40 Grad betrieben werden. In anderen Ausführungsformen können die Spulen aus einem flachen Draht bestehen. Es ist zu beachten, dass auch andere Mengen wie etwa eine Reihe von neun Spulen oder drei parallele Spulen verwendet werden können. Die Spulen können in einer Y-Anordnung oder in Reihe verdrahtet sein. Die Spulen 612 sind an einer Anschlussplatte 616 befestigt. Zum Beispiel können die Spulen 612 direkt auf die Anschlussplatte 616 geklebt werden. Alternativ kann ein gegossener Aufbau (nicht gezeigt) auf der Anschlussplatte 616 für das Aufnehmen der Spulen 612 vorgesehen sein.
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Wie in 6A gezeigt, kann der Direktantriebsmotor 600 eine Spule 604 und eine mittlere Drehwelle 608 enthalten. Der Motor 600 kann weiterhin ein Motorgehäuse 610 umfassen, das eine Vielzahl von äußeren Magneten 616 umgibt. Während des Betriebs des Antriebsmotors 600 veranlasst ein Doppelmagnetkreis (weiter unten beschrieben) mit einer Vielzahl von Spulen 612 eine Drehung der sich drehenden Komponenten des Motors 600, die die Spule 604 und die mittlere Drehwelle 608 umfassen, um eine mit der Welle 608 ausgerichtete Längsachse des Motors. Die Drehung dieser Komponenten kann durch Drehbeschränkungsflächen 636 des Motorgehäuses 610 in Zusammenwirkung mit einem Drehstopperelement 638 auf einen gewünschten Bereich begrenzt werden. Das Motorgehäuse 610, die Vielzahl von äußeren Magneten 616 und eine Rückplatte 640 drehen sich nicht während des Betriebs des Motors 600.
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Der Direktantriebsmotor 600 kann weiterhin eine Vielzahl von sich nicht drehenden inneren Magneten 628 enthalten. Die Rückplatte 640 hält einen Mittenpolaufbau 644, der durch sich nicht drehende innere Magnete 628 umgeben ist. Der Motor 600 umfasst weiterhin ein vorderes Kugellager 660 und ein hinteres Kugellager 664. Eine Linearcodiereranordnung umfasst eine Linearcodierer-Rückmeldungsskala 654 und einen Linearrückkopplungsskala-Lesekopf 658. Die Linearcodierer-Rückmeldungsskala 654 wird durch eine Motornabe 662 gehalten. Der Lesekopf 658 sieht zu einem externen Rechenelement oder einer entsprechenden Einrichtung (nicht gezeigt) Positionsrückmeldungsinformationen zu der Drehung der sich drehenden Komponenten des Direktantriebsmotors 600 vor.
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Ausführungsformen des Direktantriebsmotors 600 können einen Doppelmagnetkreis verwenden, um ein höheres Drehmoment zu erhalten. Insbesondere bilden die äußeren Magneten 616, der Mittenpol 644 und die Spulen 612 einen ersten Kreis. Die Spulen 612, die inneren Magneten 628 und die mittlere Drehwelle 608 bilden einen zweiten Kreis. Es wird davon ausgegangen, dass diese Anordnung ein wesentlich höheres Drehmoment vorsieht als standardmäßige bürstenlose Motoren, die nur einen einzelnen „äußeren” Kreis verwenden.
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Im Folgenden werden beispielhafte Spezifikationen eines Direktantriebsmotors gemäß der Spezifikation beschrieben.
GESAMTANZAHL DER SPULEN PRO MOTOR: 9
AKTIVE SPULEN: 6
DREHMOMENTMITTE: 6 + (8,9 – 6)/2 = 7,4 mm
EFFEKTIVE SPULENLÄNGE: 21 mm SEGMENT
KRAFT PRO SPULE: (9,75 T)(109 × 0,021)(2) = 3,4 N/SPULE
KRAFT PRO MOTOR: (3,4 N)(6) = 20,4 N/MOTOR (@1A, 48 VDC)
MOTORRADIUS VON MITTE ZU MITTE: 10 mm
DREHMOMENT: (20,4 N)(7,4 mm) = 150 N mm (0,15 Nm)
GRÖSSE DES SPULENDRAHTS: 34 KUPFER
GESAMTANZAHL DER WICKLUNGEN: 109
AMPEREWINDUNG DER SPULE: 109 AMPERWINDUNG/SPULE
GEWICHT DES MOTORS: 0,08 kg
MOTORTRÄGHEIT:
GEWICHT DES LÄUFERS: 0,042 kg
DICHTE: 7,886 g/cm3
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Die Erfindung wurde vorstehend umfassend anhand von verschiedenen Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei zu beachten ist, dass der Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen vornehmen kann, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind beispielhaft und nicht einschränkend aufzufassen. Entsprechend können die verschiedenen Figuren einen beispielhaften Aufbau der Erfindung zeigen, um die Merkmale und Funktionen der Erfindung zu verdeutlichen. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten beispielhaften Aufbauten beschränkt und kann unter Verwendung von verschiedenen alternativen Aufbauten implementiert werden. Und obwohl die Erfindung anhand von verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, sind die in den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale und Funktionen in ihrer Anwendung nicht auf die hier beschriebenen besonderen Ausführungsformen beschränkt, sondern können statt dessen auch alleine oder in beliebigen Kombinationen mit einer oder mehreren anderen hier beschriebenen oder hier nicht beschriebenen Ausführungsformen angewendet werden. Der Erfindungsumfang ist also nicht auf die weiter oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
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Die in dieser Anmeldung verwendete Terminologie ist allgemein in einem weiten Sinn und nicht einschränkend zu verstehen, außer wenn entsprechende spezifische Angaben gemacht werden. Zum Beispiel ist das Wort „enthalten” als „enthalten unter anderem” oder ähnlich zu verstehen. Das Wort „Beispiel” wird hier verwendet, um beispielhafte Instanzen eines erläuterten Elements zu bezeichnen, ohne dass dies als eine erschöpfende oder begrenzende Aufzählung zu verstehen ist. Und Adjektive wie „herkömmlich”, „üblich”, „normal”, „standardmäßig”, „bekannt” oder ähnliche Adjektive sind nicht so zu verstehen, dass sie das erläuterte Element oder die Verfügbarkeit des erläuterten Elements auf eine bestimmte Zeitperiode beschränken. Statt dessen sind diese Bezeichnungen so zu verstehen, dass sie herkömmliche, übliche, normale oder standardmäßige Techniken bezeichnen, die jetzt oder zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Zukunft bekannt oder verfügbar sind. Entsprechend ist eine durch die Konjunktion „und” verknüpfte Gruppe von Elementen nicht derart zu verstehen, dass jedes der genannten Elemente in der Gruppierung vorhanden sein muss, sondern ist in dem Sinn von „und/oder” zu verstehen, außer wenn dies eigens anders angegeben ist. Weiterhin ist eine durch die Konjunktion „oder” verknüpfte Gruppe von Elementen nicht derart zu verstehen, dass die Elemente dieser Gruppe einander ausschließen, sondern ist in dem Sinn von „und/oder” zu verstehen, außer wenn dies eigens anders angegeben ist. Und wenn Elemente oder Komponenten der Erfindung im Singular genannt werden, kann es sich aber auch um mehrere derselben handeln, sofern dies nicht eigens anders angegeben ist. Zum Beispiel kann die Formulierung „wenigstens ein” ein einzelnes oder mehrere Elemente bezeichnen, ohne sich auf eine dieser Optionen zu beschränken. Wenn in einigen Fällen erweiternde Formulierungen wie „ein oder mehrere”, „wenigstens” oder „aber nicht beschränkt auf” usw. verwendet werden, bedeutet dies nicht, dass in anderen Fälle, in denen keine dieser Formulierungen verwendet wird, keine derartige Erweiterung möglich ist.
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In Ausführungsformen der Erfindung können ein Speicher oder eine andere Speichereinrichtung und Kommunikationseinrichtungen verwendet werden. Es sollte deutlich sein, dass hier verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf verschiedene Funktionseinheiten und Prozessoren beschrieben wurden. Dabei kann eine beliebige Verteilung der Funktionen auf verschiedene Funktionseinheiten, logische Verarbeitungselemente oder Domänen verwendet werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Zum Beispiel kann eine durch separate logische Verarbeitungselemente oder Steuereinrichtungen durchgeführte Funktion auch durch ein einzelnes logisches Verarbeitungselement oder eine einzelne Steuereinrichtung durchgeführt werden. Verweise auf spezifische Funktionseinheiten sind lediglich als Verweise auf geeignete Einrichtungen zum Bereitstellen der beschriebenen Funktion und nicht als Verweise auf einen konkreten logischen oder physikalischen Aufbau zu verstehen.
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In der vorstehenden Beschreibung wird eine spezifische Terminologie verwendet, um die Erfindung zu verdeutlichen. Dem Fachmann sollte jedoch deutlich sein, dass keine spezifischen Details erforderlich sind, um die Erfindung zu realisieren. Die vorstehende Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der Erfindung dient der Verdeutlichung und beschränkt die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen, an denen zahlreiche Modifikationen und Variationen auf der Grundlage der hier gegebenen Lehren vorgenommen werden können. Die Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und von deren praktischer Anwendung zu verdeutlichen, damit der Fachmann die Erfindung und verschiedene Ausführungsformen derselben mit verschiedenen Modifikationen jeweils für den gewünschten Zweck nutzen kann. Der Erfindungsumfang wird durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert.
