DE112015003877T5

DE112015003877T5 - Gliederstruktur und anordnung für eine manipulatorstruktur

Info

Publication number: DE112015003877T5
Application number: DE112015003877.9T
Authority: DE
Inventors: Paul Ekas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2017-05-11
Also published as: KR20170047238A; WO2016032980A1; US20160052143A1; WO2016033101A1; CN106573374A; US9446513B2; DE112015003875B4; WO2016032978A1; US20160052149A1; US20160052130A1; JP2017525578A; JP2020011378A; JP6571170B2; WO2016032979A1; WO2016032976A1; DE112015003875T5; CN106573382A; JP7007343B2; KR102004623B1; JP6647286B2

Abstract

Eine Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator enthält ein erstes Glied, ein zweites Glied, das mit dem ersten Glied drehbar gekoppelt ist, einen ersten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist und mit dem ersten Glied durch eine Feder gekoppelt ist, die an dem ersten Glied verankert ist, durch Seilzugführungen an dem ersten Glied und dem zweiten Glied hindurch verläuft und an dem zweiten Glied verankert ist, und einen zweiten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist und an dem ersten Glied verankert ist, durch Seilzugführungen an dem ersten Glied und an dem zweiten Glied hindurch verläuft und mit einem Aktor gekoppelt ist. Die Seilzüge weisen jeweils eine Länge auf, die gewählt ist, um einen gewählten Bewegungsbereich zwischen dem zweiten Glied bei einem gewählten Winkel mit Bezug auf das erste Glied bereitzustellen, wenn sich der Aktor in einer Ruheposition befindet. Die Seilzugführungen sind aus einem Material mit großer Härte ausgebildet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese internationale Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Nummer 62/041,332 für "Cable Guide System for Robotic Mechanical Manipulator Structure", die am 25. August 2014 eingereicht wurde; der vorläufigen Patentanmeldung mit der Nummer 62/087,664 für "Tendon Configuration for Under-Actuated Robotic Manipulator With Progressive Wrapping Links", die am 4. Dezember 2014 eingereicht wurde; der vorläufigen Patentanmeldung mit der Nummer 62/165,080 für "Tendon Configuration for Under-Actuated Robotic Manipulator With Progressive Wrapping Links, die am 21. Mai 2015 eingereicht wurde; und der vorläufigen Patentanmeldung mit der Nummer 62/165,074 für "Apparatus and Method for Attaching Apparatus to Robotic Fingers", die am 21. Mai 2016 eingereicht wurde, und die US-Gebrauchsmusteranmeldung mit der Seriennummer 14/834,178 für "Link Structure And Assembly Including Cable Guide System for Robotic Mechanical Manipulator Structure", die am 24. August 2015 eingereicht wurde, wobei der Inhalt von all diesen in diese Offenbarung durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mechanische Manipulatoren und Gliedmaßen zur Verwendung bei Robotikanwendungen.
Stand der Technik
Der mechanische Manipulator eines Industrieroboters wird häufig als eine Struktur mit seriellen Gliedern unter Verwendung von Drehgelenken implementiert. Die Glieder sind die starren Elemente, die durch die Gelenke gekoppelt miteinander sind. Die Gelenke (auch Achsen genannt) sind die beweglichen Komponenten des Roboters, die eine Relativbewegung zwischen benachbarten Gliedern ermöglichen.
Die Drehung von Gelenken wird für gewöhnlich durch Motoren, Hydraulik oder pneumatische Aktoren angetrieben. Bei größeren mechanischen Manipulatoren können diese Aktoren mit dem Gelenk direkt verbunden oder darin untergebracht sein, um bei einer Betätigung ein Drehmoment direkt auszuüben. Wenn mechanische Manipulatoren sehr klein werden, etwa bei der Verwendung für "Finger" in mechanischen Händen, ist das Bereitstellen der Motoren, der Hydraulik und der Pneumatik mit direkter Befestigung an dem Gelenk aufgrund von Größenbeschränkungen und der Auswirkungen von Masse auf das Trägheitsmoment nicht praktikabel. Eine Alternative, die weit verbreitet verwendet wird, besteht in der Verwendung von Seilzügen als künstliche Sehnen, welche die Drehkraft zurück an eine entfernt angebrachte Betätigung, etwa einen Motor oder einen pneumatischen Aktor, übertragen.
Wenn Seilzüge in mechanischen Manipulatoren verwendet werden, müssen die Seilzüge durch die Glieder und Gelenke hindurch zu den entfernt angeordneten Aktoren verlegt werden. Die Seilzüge können sich in den Gliedern und Gelenken bewegen, wenn sich die mechanischen Manipulatoren bewegen. Die Seilzüge verlaufen durch die Glieder und Gelenke hindurch und können an verschiedenen Punkten die Richtung ändern. An diesen Punkten, an denen sich die Richtung des Seilzugs ändern muss, ist es wichtig, die Reibung so weit wie möglich zu verringern, um Verschleiß zu minimieren und resultierende Kräfte durch den Seilzug hindurch zu maximieren.
Das Verlegen von Spannungsseilzügen in mechanischen Manipulatoren wie vorstehend beschrieben erfordert das Überwinden von Reibung, während der Weg des Seilzugs über jede Drehung der Glieder hinweg geleitet wird. Es gibt drei Hauptlösungen zum Verlegen von Spannungsseilzügen in mechanischen Manipulatoren: Systeme, die auf Riemenscheiben beruhen, die Verwendung eines Bowdenzugs oder das Verlegen des Seilzugs über Stifte und Lager hinweg.
Eine Konfiguration mit sehr geringer Reibung verwendet Riemenscheiben, um die Seilzüge zu verlegen. Da eine Riemenscheibe immer dort benötigt wird, wo ein Seilzug die Richtung ändern muss, kann dies jedoch zu einer großen Anzahl von Riemenscheiben führen, welche mechanisch kompliziert zu implementieren sind, hohe Kosten aufweisen und ein signifikantes Volumen verbrauchen. Außerdem ist das System kaputt, wenn der Seilzug von der Riemenscheibe herunterfällt.
Eine geläufigere Konfiguration verwendet einen Bowdenzug, der ein Seilzugmechanismus ist, der einen dünnen verseilten Seilzug verwendet, der sich innerhalb eines flexiblen Außengehäuses bewegt. Ein Bowdenzug stellt einen einfachen Mechanismus zum Verlegen eines Seilzugs durch einen eingeschränkten Bereich hindurch mit wenig Rücksicht auf Position und Hindernisse bereit. Jedoch weisen Bowdenzüge eine relativ hohe Reibung auf und ihre Leistung verschlechtert sich im Lauf der Zeit erheblich.
Eine weitere geläufige Konfiguration besteht darin, Seilzüge über Metallstifte oder Lagerlaufflächen laufen zu lassen. Im Allgemeinen stellt diese Herangehensweise keine adäquate Ausrichtung des Seilzugs bereit und sie kann ermöglichen, dass der Seilzug am Körper des Glieds reibt. Dies kann zu hoher Reibung und hohem Verschleiß in dem mechanischen Manipulator führen, wodurch die Leistung und die Lebensdauer verringert werden.
Viele andere mechanische Systeme verwenden Seilzüge, um eine mechanische Spannung zwischen sich bewegenden Teilen zu übertragen, die nicht in Beziehung mit einer auf Gliedern und Gelenken beruhenden Bewegung stehen. Diese Systeme können ähnliche Probleme wie die vorstehend beschriebenen, welche Reibung, Verschleiß, Kosten und Gewicht umfassen, aufweisen.
In der Textilindustrie wurden keramische Führungen in großem Umfang verwendet, um Faden und Garn durch Maschinen hindurch zu verlegen. Der Hauptgrund zur Verwendung keramischer Führungen war es, das Ansammeln von Flusen in Textilfabriken zu reduzieren.
Keramische Führungen werden in Angelruten verwendet, um den Verschleiß der Angelschnur und der Angelrute zu reduzieren.
ZUSAMMENFASSUNG
In Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der Erfindung werden die Seilzüge, die zum Übertragen einer mechanischen Spannung in einem Roboter verwendet werden, durch eine Reihe von Seilzugführungen mit großer Härte verlegt, um den Seilzugweg und die Seilzugkraft zu lenken.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung können Seilzuganordnungen einschließlich der Seilzugführungen mit großer Härte, von Abschlussringen, von Federn, falls benötigt, und von anderen Komponenten vorab zu abgeschlossenen, kalibrierten Seilzügen montiert werden.
In Übereinstimmung mit einem dritten Aspekt der Erfindung können die vorab montierten Seilzüge mit Knoten, Ringen, Blöcken oder anderen Verfahren abgeschlossen werden, um eine Verbindung des Seilzugs mit dem Glied, mit einem Aktor oder mit einem anderen Seilzug zu ermöglichen.
In Übereinstimmung mit einem vierten Aspekt der Erfindung kann jedes Glied aus zwei oder mehr zueinander passenden Teilen aufgebaut sein. Die Teile können vorgeformte Orte für die Ösen und zusätzlich, falls benötigt, Verankerungspunkte für die Seilzüge, Stellen für Federn und Wege für die Seilzüge zum Durchqueren des Glieds, Gelenkhardware wie etwa Lager und eine beliebige andere Hardware wie etwa Sensoren aufweisen. Wenn sie zusammengefügt sind, betten die Teile die Ösen, Federn, Verankerungspunkte, Seilzüge und Gelenkhardware auf sichere Weise ein.
In Übereinstimmung mit einem fünften Aspekt der Erfindung kann jedes Glied aus einer Stange oder einem Stab aufgebaut sein, an der/dem Seilzugführungen und Abschlüsse und Gelenke befestigt sein können.
In Übereinstimmung mit einem sechsten Aspekt der Erfindung können die Seilzüge mit den Seilzugführungen verwendet werden, um eine mechanische Spannung zwischen zwei beliebigen Punkten in einer Struktur aufzubringen, wobei eine Seilzugbewegung an Zwischenpunkten in dem Seilzug relativ zu der Struktur erwartet wird.
In Übereinstimmung mit einem siebten Aspekt der Erfindung kann das Verlegen des Seilzugs eine Kombination aus den Seilzugführungen sowie andere Verfahren zum Verlegen der mechanischen Spannung des Seilzugs durch eine Struktur hindurch verwenden, welche die Außenlauffläche eines Kugellagergelenks, einen Pfosten oder Stift, eine Riemenscheibe oder beliebige andere Verfahren umfassen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
1 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der zwei Glieder durch ein Gelenk miteinander verbunden sind und Seilzüge angeordnet sind, um das Glied um das Gelenk herum zu drehen.
2 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der zwei Seilzüge so ausgestaltet sind, dass sie in die zwei Glieder und in ein Gelenk, die in 1 gezeigt sind, hineinpassen.
3 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die auf eine Konfiguration aus Gliedern, Gelenken und Seilzügen angewendet wurde, welche von der Stanford University und dem Jet Propulsion Laboratory entwickelt wurde.
4 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, in der zwei Seilzuganordnungen mit Seilzugführungen mit großer Härte und Abschlusspunkten gezeigt sind, welche die Konfiguration in 3 ansprechen.
5 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, in der eine einzelne Gliedanordnung teilweise zerlegt gezeigt ist. In diesem Bild ist kein Seilzug gezeigt.
6 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, in der zwei zusammengebaute Glieder gezeigt sind.
7 ist ein Diagramm, das eine isometrische Explosionsansicht eines beispielhaften Glieds in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Welle und zwei Endstücken zeigt.
8 ist ein Diagramm, das eine zusammengebaute isometrische Ansicht des Glieds von 7 mit einer Explosionsansicht der Endstücke zeigt, um Details im Inneren zu zeigen.
9 ist ein Diagramm, das eine isometrische Ansicht von zwei Gliedern des Typs zeigt, die in 7 und 8 gezeigt sind, welche an einem Mittelgelenk miteinander gekoppelt sind.
10 ist ein Diagramm, das eine zusammengebaute isometrische Ansicht einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, in der ein Glied eine Welle, zwei Seilzugführungshalter, zwei Endstücke und ein Seilzugverankerungsstück umfasst.
11 ist ein Diagramm, das eine isometrische Explosionsansicht der Ausführungsform von 10 zeigt.
12 ist ein Diagramm, das eine isometrische Ansicht von zwei Gliedern des Typs zeigt, der in 10 und 11 gezeigt ist, die an einem Mittelgelenk miteinander gekoppelt sind.
13A bis 13I sind Diagramme, die verschiedene veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen, in denen zwei Glieder durch ein Gelenk verbunden sind und unter Verwendung verschiedener Steuerungs- und/oder Durchgangsseilzugkombinationen gezeigt sind.
GENAUE BESCHREIBUNG
Der Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung nur zur Veranschaulichung dient und keinesfalls einschränkt. Andere Ausführungsformen der Erfindung werden sich dem Fachmann selbst nahelegen.
Mit Bezug nun auf 1 zeigt ein Diagramm eine veranschaulichende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der zwei Glieder 10 und 12 durch ein Gelenk 14 verbunden sind und durch zwei Seilzüge 16 und 18 gesteuert werden. Die Glieder 10 und 12 drehen sich gesteuert durch Drehmomente, die durch die Seilzüge 16 und 18 induziert werden, um das Gelenk 14. Die Seilzüge 16 und 18 weisen Abschlussformstücke 20 auf, die an Verankerungspunkten 22 an den Gliedern 10 und 12 befestigt sind. Bei einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Befestigungspunkte in der Form von Befestigungsringen vor, die in die Verankerungspunkte 22 in den Gliedern 10 und 12 eingebettet sind. Die Seilzüge 16 und 18 verlaufen durch Seilzugführungen 24 hindurch, die in den Gliedern 10 und 12 an Punkten befestigt sind, an denen die Seilzüge 16 und 18 durch die Glieder 10 und 12 hindurchgeführt werden müssen oder eine Kraft auf die Glieder 10 und 12 ausüben. Beispiele ohne Einschränkung für Seilzugmaterialien, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen sehr feste synthetische Materialien mit geringer Streckung, wie sie etwa unter dem Markenzeichen Dyneema vertrieben werden, die bei Royal DSM in Heerlen, Niederlande verfügbar ist, und eine geflochtene Polyethylenschnur mit ultrahohem Molekulargewicht, die unter dem Markenzeichen Spectra verkauft wird und bei Honeywell International, Inc. in Morristown, NJ verfügbar ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Seilzugführungen 24 Seilzugführungen mit großer Härte. Der Begriff "große Härte" bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, ein Material mit einer Härte größer als 600 HB (HBW 10/3000) auf der Brinell-Härteskala. Seilzugführungen mit großer Härte können unter Verwendung einer Vielfalt von sehr harten Materialien implementiert werden. Beispiele ohne Einschränkung für derartige Materialien umfassen ultraharte Keramiken, die Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Titandioxid, polykristallinen Saphir und Siliziumcarbid umfassen.
In den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die Seilzugführungen 24 die Form von Ösen und Permutationen davon annehmen, welche geschlitzt, gerillt, geflanscht, doppelt geflanscht, rohrförmig und andere Konfigurationen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Die Seilzugführungen 24 können außerdem die Form von anderen Typen von Führungen und Permutationen davon annehmen, die Traverse, Fallen, Schlitze, Kugeln, Lagerkugeln, bewegliche Anschlusskabel, Holzfälleraugen und andere Konfigurationen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Veranschaulichende Seilzugführungen, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind in der Veröffentlichung Ascotex, Ceramic Yarn Guides offenbart, die auf der Webseite http://www.ascotex.com/Binder2.pdf verfügbar ist.
In der beispielhaften Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, ist einer der Seilzüge 18 an Feder 26 in serieller Anordnung angebracht. Der andere Seilzug 16 ist mit einem Aktor 28 verbunden, der eine mechanische Spannung auf den Seilzug 16 ausübt, um eine Drehbewegung der Glieder 10 und 12 um das Gelenk 14 herum zu bewirken. Der Fachmann auf dem Gebiet wird feststellen, dass der Seilzug 18 beseitigt werden kann, und dass das Ende der Feder 26 stattdessen an dem Glied 10 verankert werden kann. Der Fachmann wird auch feststellen, dass die Feder 26 beseitigt werden kann und dass der Seilzug 18 durch einen (nicht gezeigten) zweiten Aktor gesteuert werden kann, der mit dem Aktor 28 zusammenarbeitet.
Die Seilzüge 16 und 18 übertragen Kräfte zwischen ihren Abschlussformstücken 20, welche an den Gliedern 10 und 12, den Federn 26, den Aktoren 28 oder anderen Quellen einer passiven oder aktiven mechanischen Spannung an den Seilzügen 16 und 18 angebracht sein können. Die Seilzüge 16 und 18 sind folglich aufgebaut, um diese verschiedenen Punkte der Struktur, die die Glieder 10 und 12, die Aktoren 28 und die Federn 26 umfasst, zu verbinden, um diese Kraft durch die Struktur hindurch zu übertragen und aufzubringen. Die Kraft der Seilzüge 16 und 18 wird auf die Struktur mit den Gliedern 10 und 12 und mit dem Gelenk 14 durch ihre Abschlusspunkte 22 aufgebracht und außerdem dort, wo der Seilzug durch die Seilzugführungen 24 umgelenkt wird. Diese Punkte, an denen die Seilzüge 16 und 18 umgelenkt werden, erfordern im Allgemeinen eine dynamische Bewegung des Seilzugs relativ zu der Struktur, die die Glieder 10 und 12 und das Gelenk 14 umfasst. An diesen Punkten werden die Seilzugführungen 24 verwendet, um ein Verfahren mit geringem Verschleiß und geringem Widerstand beim Ändern der Richtung der Seilzüge 16 und 18 bereitzustellen. Die Seilzugführungen 24 sind an den Gliedern 10 und 12 sicher befestigt. An diesen Punkten der Richtungsänderung werden Kräfte außerdem auf die Struktur aufgebracht, welche die Glieder 10 und 12 und das Gelenk 14 umfasst. Wenn die auf die Seilzüge 16 und 18 aufgebrachte mechanische Spannung erhöht wird, erhöht sich auch die Steifigkeit der Struktur, welche die Glieder 10 und 12 und das Gelenk 14 umfasst. Wenn in dieser Konfiguration der Aktor 28 die mechanische Spannung am Seilzug 16 erhöht, wird das Glied 10 auf der linken Seite sich relativ zu dem Glied 12 auf der rechten Seite gegen den Uhrzeigersinn drehen. Wenn die mechanische Spannung in dem Seilzug 16 durch den Aktor 28 verringert wird, wird die Kraft der Feder 26 das Glied 10 auf der linken Seite relativ zu dem Glied 12 auf der rechten Seite in die Richtung im Uhrzeigersinn drehen.
Obwohl in der speziellen Ausführungsform von 1 die Verankerungspunkte 22 symmetrisch um das Gelenk 14 herum positioniert sind und die Seilzugführungen 24 um das Gelenk 14 herum symmetrisch sind, ist die Positionierung der Verankerungspunkte 22 und der Seilzugführungen 24 vollständig konstruktionsabhängig und braucht nicht symmetrisch um das Gelenk 14 herum zu sein oder den gleichen Abstand von dem Gelenk 14 aufweisen. Die Anordnung der Verankerungspunkte 22 für die Seilzüge 16 und 18 braucht auf dem Glied 10 nicht nebeneinander sein. Die Seilzüge 16 und 18 können implementiert sein, um eine Verankerung auf dem Glied 10 gemeinsam zu nutzen. Das Gelenk 14 kann zu der horizontalen Mittellinie der Glieder 10 und 12 versetzt sein. Wie der Fachmann auf dem Gebiet leicht feststellt, beeinflusst die Positionierung der Seilzugführungen 24 relativ zu dem Gelenk 14 das Drehmoment, das von den Seilzügen 16 und 18 ausgeübt wird, und sie ist konstruktionsabhängig. Außerdem beeinflusst die Positionierung der Verankerungspunkte 22 das Drehmoment, das auf die Glieder 10 und 12 und das Gelenk 14 ausgeübt wird.
Mit Bezug nun auf 2 zeigt ein Diagramm einen Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei der die in 1 dargestellten Seilzüge vormontiert sein können, bevor sie weiter mit den Gliedern und Gelenken zusammengebaut werden. In Übereinstimmung mit einer veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung enthalten die Seilzüge 16 und 18 Abschlussformstücke 20, die in der Form von Ringen gezeigt sind, welche mit den Enden der Seilzüge 16 und 18 verbunden sind, obwohl der Fachmann auf dem Gebiet feststellen wird, dass eine große Vielfalt anderer Abschlussformstücke in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Seilzugführungen 24 werden in der korrekten Reihenfolge auf den Seilzügen 16 und 18 vormontiert, indem die Seilzüge 16 und 18 durch diese hindurchgefädelt werden. Beliebige Federn 26, die verwendet werden, können an den Seilzügen 16 und 18 ebenfalls vormontiert und in die korrekte Reihenfolge mit Bezug auf die Seilzugführungen 24 positioniert werden. Die in 2 gezeigten vormontierten Seilzüge 16 und 18 können mit vorab spezifizierten Längen zwischen den Abschlussformstücken 20 hergestellt werden. Der Fachmann auf dem Gebiet wird feststellen, dass die in 2 gezeigte Anordnung speziell für die in 1 dargestellte Gliederanordnung ausgestaltet ist, und daher veranschaulichend und nicht einschränkend ist, da verschiedene Anzahlen von Seilzügen und spezielle Konfigurationen für verschiedene Gliederanordnungen benötigt werden.
Ein Verfahren zum Zusammenbauen der Seilzüge 12 besteht darin, ein Abschlussformstück, etwa ein Abschlussformstück 20, an dem Seilzug 12 beispielsweise unter Verwendung eines Palomar-Knotens anzubringen, die notwendigen Seilzugführungen 24 auf den Seilzug zu schieben, den Seilzug auf die korrekte Länge zuzuschneiden und einen weiteren Abschlussring 24 anzubringen, der an dem zweiten Ende des Seilzugs befestigt wird. Ein Palomar-Knoten 14 ist besonders nützlich, weil er auf eine Weise festgebunden werden kann, die auf konsistente Weise einen bekannten Längenverbrauch der Seilzüge 16 und 18 bereitstellt. Daher kann ein Seilzug für gewünschte Längen montiert werden. Das Anbinden von Abschlussformstücken 24 an einen Seilzug ist ein Verfahren zum Abschließen eines Seilzugs. Andere Optionen zum Abschließen eines Seilzugs können Kleben, Verschmelzen, Krimpen oder ein beliebiges anderes Verfahren zum Befestigen eines Seilzugabschlussformstücks 24 an den Enden der Seilzüge 16 und 18 umfassen. Auch das Befestigen der Federn 26 kann als Schritt in der Vormontage des Seilzugs enthalten sein. Dann kann ein vorkonfigurierter Seilzug in eine Glieder- und Gelenkstruktur in einem von der Montage des Seilzugs separaten Schritt montiert werden.
Mit Bezug nun auf 3 zeigt ein Diagramm eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die auf die Stanford-JPL-Seilzugkonfiguration angewendet wurde (J. K. Salisbury and J. J. Craig. Articulated hands: Force control and kinematic issues, IJRR, 1(1), Frühling 1982), mit einer Roboterhand 30, in welcher vier Glieder 32, 34, 36 und 38 an drei Gelenken 40, 42 und 44 mit vier Seilzügen 46, 48, 50 und 52 verbunden sind. Bei dieser beispielhaften Konfiguration endet jeder Seilzug 46, 48, 50 und 52 an einem individuellen Aktor 54, 56, 58 und 60. Diese Konfiguration, welche die Glieder 32, 34, 36 und 38, die Gelenke 40, 42 und 44 und die Seilzüge 46, 48, 50 und 52 umfasst, ermöglicht eine vollständige Steuerung der relativen Gelenkwinkel zwischen allen Gliedern.
Mit Bezug nun auf 4 zeigt ein Diagramm, dass in dieser Konfiguration mehrere Seilzüge eine oder mehrere Seilzugführungen gemeinsam nutzen können. 4 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, welche ein veranschaulichendes Beispiel für vorkonfigurierte Seilzüge in einer Anordnung zeigt, welche die Anforderungen von 3 (StanfordJPLTendonConfiguration) anspricht. Es gibt insgesamt vier Seilzüge 46, 48, 50 und 52. Es gibt nur einen einzigen Seilzug 52, der eine einzige Seilzugführung 62 verwendet und keinerlei Seilzugführungen mit den anderen Seilzügen 46, 48 und 50 gemeinsam nutzt. Drei der Seilzüge 46, 48 und 50 nutzen eine gemeinsame Teilmenge der Seilzugführungen 64 und 66 gemeinsam. Der Seilzug 50 enthält zwei einzelne Seilzugführungen 62.
Ein Verfahren zum Vormontieren des Satzes aus drei Seilzügen 46, 48 und 50 umfasst, dass ein einzelner Seilzug 50 zusammengebaut wird, dass der zweite Seilzug 48 zusammengebaut wird, indem er einige der Seilzugführungen 64 gemeinsam nutzt, und dass der dritte Seilzug 46 zusammengebaut wird, indem er wieder einige der Seilzugführungen 64 und 66 mit den anderen zwei Seilzügen 48 und 50 gemeinsam nutzt. Sobald der Zusammenbau der drei Seilzüge 46, 48 und 50 abgeschlossen ist, bilden diese eine einzige abgeschlossene vormontierte Seilzuganordnung.
Mit Bezug nun auf 5 zeigt ein Diagramm eine veranschaulichende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Glied 70 aus vorgeformten zueinander passenden Gliedsektionen 72 und 74 zusammengesetzt ist. Seilzugführungen 76 passen genau in vorgeformte Stellen 78. Die Seilzüge sind in 5 nicht gezeigt. In dem veranschaulichenden Beispiel von 5 liegen die Seilzugführungen in der Form von Ösen oder Dichtungshülsen vor. Ein Lager 80 ist in geeignet ausgebildete Ausnehmungen 82 in den Gliedsektionen 72 und 74 eingesetzt. Schrauben 84, 86 und 88 verlaufen durch die Gliedsektionen 72 und 74 hindurch und paaren sich mit Muttern 90, um die Gliedsektionen 72 und 74 aneinander zu befestigen. Wie in 5 gezeigt ist, können die Muttern 90 genau in vorgeformte Stellen 92 in der Gliedsektion 74 passen. Ein Seilzugabschlussring 94 ist ohne den Seilzug gezeigt. Der Abschlussring 94 kann an dem Glied 70 verankert sein, indem eine der Schrauben 86 durch ihn hindurch verläuft, oder er kann beispielsweise in einem ausgenommenen Bereich ruhen, wie in einigen der anderen Ausführungsformen gezeigt ist. In der Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, wirkt eine der Schrauben 84 durch ein Gelenk hindurch als Achse für das Lagern des nächsten Glieds (nicht gezeigt). Es liegt auf der Hand, das Gliedgelenksystem unter Verwendung der Seilzuganordnungen, die hier offenbart sind, zu montieren, wobei jede Schwierigkeit vermieden wird, die anderenfalls beim Montieren der Seilzüge auftreten kann, nachdem die Glieder, Lager, Seilzugführungen, Abschlussringe, Schrauben und Muttern montiert worden sind.
Mit Bezug nun auf 6 zeigt ein Diagramm eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Glieder des Typs, der in 5 veranschaulicht ist, zusammengebaut sind. Glieder 70a und 70b sind miteinander verbunden gezeigt, wie es vorstehend mit Bezug auf 5 angezeigt wurde. Es ist ein Seilzug 94 sichtbar, der zwischen den Gliedern 70a und 70b verläuft. Nur der sichtbare Seilzug ist gezeigt und durch Bezugszeichen 96 bezeichnet. Der Seilzug 96 läuft durch eingebettete Seilzugführungen 76 hindurch, von denen in der Ansicht von 6 nur zwei sichtbar sind. Wie zuvor mit Bezug auf 5 erwähnt wurde, kann die Schraube 84 verwendet werden, um die Achse für das Gelenk zwischen den Gliedern 70a und 70b bereitzustellen. Ein Lager 98 ist an dem Gelenk sichtbar, wo das Glied 70a an anderen Gliedern (nicht gezeigt) befestigt würde. Der Seilzug 96 ist bei Pfeil 99 so gezeigt, dass er sich über die Glieder 70a und 70b hinaus fortsetzt, um mit Aktoren, Federn, anderen Seilzügen oder einem anderen Abschluss (nicht gezeigt) verbunden zu werden.
Mit Bezug nun auf 7 zeigt ein Diagramm eine Explosionsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Glied 100 aus einer Welle 102 und zwei Endstücken 104 und 106 ausgebildet ist. Es ist eine Abdeckung 108 gezeigt, die von einem Endstück 104 entfernt ist, und es ist eine Abdeckung 110 gezeigt, die von einem Endstück 106 entfernt ist. Seilzugführungen 112 sitzen in vorgeformten Ausnehmungen 114 (zwei von diesen sind vor der Platzierung in den Ausnehmungen 114 gezeigt).
Schrauben 116 und 118 werden verwendet, um die Abdeckung 108 an dem Endstück 104 unter Verwendung von Muttern 120 bzw. 122 zu befestigen. Die Muttern 120 und 122 können in Ausnehmungen hineinpassen (eine ist bei Bezugszeichen 124 gezeigt), die in der Abdeckung 108 vorgeformt sind. Die Schraube 116 dient außerdem als eine Achse für ein (nicht gezeigtes) Lager, das verwendet wird, um das Glied 100 mit einem weiteren Glied zu koppeln, das links von der Figur liegen würde. Eine Schraube 126 wird verwendet, um die Abdeckung 110 unter Verwendung einer Mutter 128 an dem Endstück 106 zu befestigen. Die Mutter 128 kann in eine Ausnehmung 130 hinein passen, die in der Abdeckung 110 vorgeformt ist.
Ein Lager 132 sitzt in einem Lagersitz 134, der in dem Endstück 106 ausgebildet ist, und es wird verwendet, um das Glied 100 mit einem weiteren Glied zu koppeln, das rechts von der Figur angeordnet wäre. Ein derartiges Glied würde an dem Glied 100 an einem Lagerabsatz befestigt, der identisch mit dem Absatz 136 ist, unter Verwendung einer Schraube wie etwa der Schraube 116, die in 6 links gezeigt ist.
Mit Bezug nun auf 8 zeigt ein Diagramm eine zusammengebaute Ansicht des Glieds 100, das in 7 gezeigt ist. Die gleichen Bezugszeichen, die in 7 verwendet wurden, werden zum Bezeichnen entsprechender Strukturen in 8 verwendet. Das Glied ist so gezeigt, dass die Welle 102 an den zwei Endstücken 104 und 106 befestigt ist, etwa durch Verkleben oder durch die Verwendung anderer bekannter Befestigungstechniken. Die Endstücke 104 und 106 sind montiert gezeigt, um die gehärteten Ösen 114 zu befestigen. Das Gelenklager 132 passt in geformte Absätze 136 in dem rechten Endstück 106 (wie auf der linken Seite von 8 gezeigt ist). Das linke Endstück 104 weist eine Achse auf, die durch die Schraube 116 im Absatz 136 (am besten in 7 zu sehen) ausgebildet ist, auf welche das Lager in dem nächsten (nicht gezeigten) Glied passt. Das Endstück 104 und seine Abdeckung (in 7 zu sehen) sind durch Schrauben 116 und 118 und Muttern 120 und 122 befestigt. Das rechte Endstück 106 und seine Abdeckung (in 7 zu sehen) sind durch die Schraube 126 und die Mutter 128 befestigt. Die Muttern 120, 122 und 128 passen in vorgeformte Stellen (124 in 7).
Es sind drei Seilzüge 138, 140 und 142 gezeigt, die in 8 durch das Glied 100 hindurch verlaufen. Der Seilzug 138 ist im linken Endstück 104 durch Schraube 122 verankert. Der Seilzug 140 ist so gezeigt, dass er durch Seilzugführungen 114 hindurch verläuft. Der Seilzug 142 verläuft durch Seilzugführungen, die in der Zeichnung nicht sichtbar sind.
Mit Bezug nun auf 9 zeigt ein Diagramm eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Glieder des Typs, der in 7 und 8 gezeigt ist, an einem mittleren Gelenk 144 zusammengebaut sind. Es sind vier Seilzüge mit diesen Bezugszeichen gezeigt, die das rechte Endstück 106b verlassen. Einer der Seilzüge ist durch eine Schraube 146 in dem rechten Endstück 102b verankert. In dem mittleren Gelenk ist ein (nicht sichtbarer) Seilzug durch die Schraube 148 verankert, die als Achse des Gelenks dient. In dem mittleren Gelenk verläuft ein Seilzug 150 zwischen Seilzugführungen 152, die in das Gelenk eingebettet sind. Zwei Seilzüge verlassen das linke Endstück 104a bei Bezugszeichen 154.
Mit Bezug nun auf 10 zeigt ein Diagramm eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Glied 160 aus einer Welle 162, zwei Seilzugführungshaltern 164 und 166, zwei Endstücken 168 und 170 und einem Seilzugverankerungsstück 172 ausgebildet ist. Seilzüge (nicht gezeigt) verlaufen durch das Glied hindurch. Die Seilzüge verlaufen durch Seilzugführungen 176 hindurch und einer oder mehrere der Seilzüge können durch eine Schraube 174 in dem Seilzugverankerungsstück 172 verankert sein. Der Fachmann auf dem Gebiet wird feststellen, dass das Seilzugverankerungsstück 172 zwischen einem der Seilzugführungshalter 164 und einem der Endstücke 168 oder 170 angeordnet sein kann.
Mit Bezug nun auf 11 zeigt ein Diagramm eine Explosionsansicht des Glieds 160 von 10. Die Welle 162 ist mit den Endstücken 168 und 170 verbunden, indem die Welle 162 in Löcher in den Endstücken 168 und 170 eingeführt wird. In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 10 und 11 gezeigt ist, sind die Endstücke 168 und 170 komplementär. Ein Endstück 168 nimmt eine Schraube 178 auf, die durch eine Mutter 180 gehalten wird. Die Schraube 178 stellt eine Achse für ein Lager 182 bereit, das in dem anderen Endstück 170 sitzt. Die Seilzugführungshalter 164 und 166 passen durch Montagelöcher 184 auf die Welle 162. Die Seilzugführungen 176 schnappen in Löcher 186 in den Seilzugführungshaltern 164 und 166 ein. Das Gelenklager 182 schnappt in das rechte Endstück 170 ein. Das rechte Endstück 170 weist geformte Absätze 188 auf, welche die Ränder der Außenlauffläche des Gelenklagers 182 halten. Dies ermöglicht die Verwendung eines konkaven Gelenklagers 182, um eine zentrierte Ausrichtung bereitzustellen, wenn eine Sehne über die Außenlagerlauffläche verläuft. Die Seilzugverankerung 172 ist mit der Welle 162 durch eine Schraube 190 und eine Mutter 192 gekoppelt, um einen Seilzug zu befestigen.
Mit Bezug nun auf 12 zeigt ein Diagramm eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Glieder des Typs, der in 10 und 11 gezeigt ist, an einem Gelenk 194 zusammengebaut sind. Die Seilzüge verlaufen durch Seilzugführungen 176 hindurch. Es ist ein Seilzug gezeigt, der bei Bezugszeichen 190 verankert ist. Es sind zwei Seilzüge gezeigt, die über die Außenlauffläche 188 des Gelenklagers verlaufen. Der Fachmann auf dem Gebiet wird feststellen, dass, wenn das Seilzugverankerungsstück 172 zwischen einem der Seilzugführungshalter 164 und dem einen der Endstücke 168 oder 170 bei Gelenk 194 angeordnet ist, der Seilzug, der damit verankert ist, nicht durch die Seilzugführungen verlaufen muss, die mit der Welle 162a verbunden sind.
Mit Bezug nun auf 13A bis 13I sind Diagramme gezeigt, welche verschiedene veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei zwei Glieder durch ein Gelenk verbunden sind und unter Verwendung verschiedener Steuerungs- und/oder Durchgangsseilzugkombinationen gezeigt sind.
In allen 13A bis 13I sind zwei Glieder 202 und 204 gezeigt, die durch ein Gelenk 206 verbunden sind. Die Glieder 202 und 204 drehen sich um das Gelenk 206 herum und können durch Drehmomente gesteuert werden, die von Seilzügen induziert werden, die an einem der Glieder verankert sind.
In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 13A gezeigt ist, sind die Seilzüge 208 und 210 an Verankerungspunkten 212 bzw. 214 an dem Glied 202 befestigt, welche als kleine Quadrate an den Enden der Seilzüge 208 und 210 gezeigt sind. Die Seilzüge 208 und 210 verlaufen durch eine Seilzugführung 216 hindurch, die in dem Glied 204 an den Punkten befestigt ist, an denen die Seilzüge 208 und 210 durch das Glied 204 hindurchgeleitet werden müssen. Aufgrund der verschiedenen Positionen der Verankerungspunkte 212 und 214 kann das Glied 202 in zwei verschiedene Richtungen bewegt werden, indem selektiv eine mechanische Spannung an den Seilzügen 208 und 210 platziert wird.
In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 13B gezeigt ist, sind die Seilzüge 208 und 210 an dem Glied 202 an Verankerungspunkten 212 bzw. 214 befestigt, die als kleine Quadrate an den Enden der Seilzüge 208 und 210 gezeigt sind. Die Seilzüge 208 und 210 verlaufen durch eine Seilzugführung 216 hindurch, die in dem Glied 204 an den Punkten befestigt ist, an denen die Seilzüge 208 und 210 durch das Glied 204 hindurchgeleitet werden müssen. In der Ausführungsform von 13B verläuft ein dritter Seilzug 218 durch die Seilzugführung 216 im Glied 204 und er verläuft außerdem durch eine Seilzugführung 220 im Glied 202. Der Seilzug 218 ist ein "Durchlauf"-Seilzug und ist nicht an einem der Glieder 202 oder 204 verankert, sondern setzt sich zu anderen (nicht gezeigten) Gliedern fort, die neben den linken und rechten Rändern von 13B angeordnet sind.
In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 13C gezeigt ist, ist ein einziger Seilzug 222 an Verankerungspunkt 224 an dem Glied 202 befestigt. Der Seilzug 222 verläuft durch eine Seilzugführung 226 hindurch, die in dem Glied 204 an dem Punkt befestigt ist, wo der Seilzug 222 durch das Glied 204 hindurchgeleitet werden muss.
In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 13D gezeigt ist, weist ein Seilzug 222 ein Abschlussformstück (nicht gezeigt) auf, das an dem Glied 202 bei Verankerungspunkt 224 wie in 13C befestigt ist. Der Seilzug 222 verläuft durch eine Seilzugführung 226 hindurch, die in dem Glied 204 an dem Punkt befestigt ist, wo der Seilzug 222 durch das Glied 204 hindurchgeleitet werden muss. Ein weiterer Seilzug 228 ist an dem Glied 202 bei Verankerungspunkt 230 befestigt. Der Seilzug 228 verläuft durch eine Seilzugführung 232 hindurch, die in dem Glied 204 an dem Punkt befestigt ist, wo der Seilzug 232 durch das Glied 204 hindurchgeleitet werden muss.
In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 13E gezeigt ist, verläuft ein einziger Durchgangsseilzug 234 durch die Glieder 202 und 204 hindurch. Der Seilzug 234 läuft durch eine Seilzugführung 236 hindurch, die an dem Glied 204 an dem Punkt befestigt ist, an dem der Seilzug 234 durch das Glied 204 hindurchgeleitet werden muss. Der Seilzug 234 verläuft außerdem durch eine Seilzugführung 238 hindurch, die in dem Glied 202 an dem Punkt befestigt ist, an dem der Seilzug 234 durch das Glied 202 hindurchgeleitet werden muss. Der Seilzug 234 wird zu anderen Gliedern (nicht gezeigt) fortgesetzt, die neben dem linken und rechten Rand von 13E angeordnet sind.
In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 13F gezeigt ist, verläuft der gleiche einzelne Durchgangsseilzug 234 von 13E durch die Glieder 202 und 204 hindurch. Der Seilzug 234 verläuft durch eine Seilzugführung 236 hindurch, die in dem Glied 204 an dem Punkt befestigt ist, an dem der Seilzug 234 durch das Glied 204 hindurchgeführt werden muss. Der Seilzug 234 verläuft außerdem durch die Seilzugführung 238 hindurch, die in dem Glied 202 an dem Punkt befestigt ist, an dem der Seilzug 234 durch das Glied 202 hindurchgeleitet werden muss. Ein weiterer Durchgangsseilzug 240 verläuft durch die Glieder 202 und 204 hindurch. Der Seilzug 240 verläuft durch die gleiche Seilzugführung 236 im Glied 202 hindurch, wie auch der Seilzug 234. Die Seilzüge 234 und 240 werden zu anderen Gliedern (nicht gezeigt) fortgesetzt, die neben dem linken und rechten Rand von 13F angeordnet sind.
In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 13G gezeigt ist, verläuft der gleiche einzelne Durchgangsseilzug 234 von 13E und 13F durch die Glieder 202 und 204 hindurch. Der Seilzug 234 verläuft durch eine Seilzugführung 236 hindurch, die in dem Glied 204 an dem Punkt befestigt ist, an dem der Seilzug 234 durch das Glied 204 hindurchgeleitet werden muss. Der Seilzug 234 verläuft außerdem durch die Seilzugführung 238 hindurch, die in dem Glied 202 an dem Punkt befestigt ist, an dem der Seilzug 234 durch das Glied 202 hindurchgeleitet werden muss. Ein zweiter Seilzug 242 verläuft durch das Glied 204 hindurch und ist an dem Verankerungspunkt 244 im Glied 202 verankert. Der Seilzug 242 verläuft durch die gleiche Seilzugführung 236 im Glied 202 wie der Seilzug 234, aber er verläuft nicht durch die Seilzugführung 238 im Glied 202.
In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 13H gezeigt ist, verläuft der gleiche einzelne Durchgangsseilzug 234 von 13E bis 13G durch die Glieder 202 und 204 hindurch. Der Seilzug 234 verläuft durch eine Seilzugführung 236 hindurch, die in dem Glied 204 an dem Punkt befestigt ist, an dem der Seilzug 234 durch das Glied 204 hindurchgeleitet werden muss. Außerdem verläuft der Seilzug 234 durch die Seilzugführung 238, die in dem Glied 202 an dem Punkt befestigt ist, an dem der Seilzug 234 durch das Glied 202 hindurchgeleitet werden muss. Wie in der Ausführungsform, die in 13G gezeigt ist, verläuft ein zweiter Seilzug 242 durch das Glied 204 hindurch und ist an einem Verankerungspunkt 244 im Glied 202 verankert. Der Seilzug 242 verläuft nicht durch die gleiche Seilzugführung 236 im Glied 204 wie der Seilzug 234, sondern er verläuft stattdessen durch eine zweite Seilzugführung 246 im Glied 202.
Mit Bezug nun auf 13I ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, die derjenigen ähnelt, die in 13A gezeigt ist. Wie bei der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 13I gezeigt ist, sind die Seilzüge 208 und 210 an dem Glied 202 an Verankerungspunkten 212 bzw. 214 befestigt, die als kleine Quadrate an den Enden der Seilzüge 208 und 210 gezeigt sind. Die Seilzüge 208 und 210 verlaufen durch eine Seilzugführung 216 hindurch, die im Glied 204 an den Punkten befestigt ist, an denen die Seilzüge 208 und 210 durch das Glied 204 hindurchgeleitet werden müssen.
Zusätzlich zu den Seilzügen 208 und 210 in 13A enthält die in 13I gezeigte Ausführungsform einen dritten Seilzug 248, der an einem Verankerungspunkt 250 an dem Glied 202 verankert ist. Bei einer Version dieser Ausführungsform verläuft der Seilzug 248 durch die Seilzugführung 216 hindurch und bei einer anderen Version dieser Ausführungsform (wo der Seilzug in gestrichelten Linien gezeigt ist) verläuft der Seilzug 248 nicht durch die Seilzugführung 216. Wie der Fachmann auf dem Gebiet feststellen wird, kann der Seilzug 248 durch eine andere (nicht gezeigte) Seilzugführung hindurchgeleitet werden oder er kann an dieser Stelle in dem Mechanismus nicht durch eine Seilzugführung hindurch verlaufen. Wie der Fachmann auf dem Gebiet feststellen wird, kann das Glied 202 aufgrund der verschiedenen Positionen der Verankerungspunkte 212, 214 und 250 in drei unterschiedliche Richtungen bewegt werden, indem selektiv eine mechanische Spannung auf die Seilzüge 208, 210 und 248 aufgebracht wird.
In allen Ausführungsformen, die in 13A bis 13I gezeigt sind, sind alle Seilzugführungen 216, 220, 226, 232, 236, 238 und 246 vorzugsweise Seilzugführungen mit großer Härte, wie hier gelehrt wurde. Die Verwendung von Seilzugführungen mit großer Härte verringert in signifikanter Weise den Verschleiß, dem die Seilzugsehnen während der Lebensdauer des Robotermanipulators, in dem sie verwendet werden, unterworfen sind.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht das Bauen von sehr kleinen mechanischen Manipulatoren mit den folgenden Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik: reduzierte Komponentenkosten, reduzierte Montagekosten, reduzierte Teilezahl, reduzierte Reibung, längere Verschleißlebensdauer, großer Widerstand gegen Erschütterungen, geringes Gewicht und verringertes Trägheitsmoment.
Diese Erfindung erlaubt das Bauen von kleinen Robotern mit "Beinen" oder Gliedmaßen, von großen Robotern, etwa Humanoiden, sowie von verbesserten Prothesehänden und von mechanischen Robotermanipulatoren. Die Erfindung kann ferner immer dort angewendet werden, wo Kräfte über einen Abstand hinweg unter Verwendung eines Bowdenzugs, eines Seilzugs oder eines Seils zum Übertragen einer mechanischen Spannung aufgebracht werden können.
Die Verwendung einer extrem harten Keramik zur Implementierung von hochgradig polierten Seilzugführungen mit großer Härte und die Verwendung einer extrem starken synthetischen geflochtenen Schnur erzeugen ein sehr kostengünstiges und robustes Seilzugspannungssystem, das wenige kostengünstige Teile verwendet, die leicht montiert werden können und Eigenschaften mit exzellentem Verschleiß und mit geringer Reibung aufweisen.
Die reduzierten Komponentenkosten resultieren aus den kombinierten Kosten der Hartkeramikführungen und des Seilzugs. Die Seilzugführungen mit großer Härte sind einfache Komponenten, und sie können mit geringeren Kosten als Riemenscheiben beschafft werden. Seilzüge, etwa aus geflochtenem Dyneema oder ähnliche Materialien, sind ein weit verbreitet verfügbarer kostengünstiger Gegenstand.
Reduzierte Montagekosten können erreicht werden, indem eine Anordnung in Teilsysteme aufgetrennt wird, etwa indem die vorkonfigurierten Seilzüge, welche Seilzugführungen und Abschlussringe enthalten, aus der Anordnung der Struktur mit Gliedern und Gelenken herausgetrennt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System bereit, das eine verringerte Reibung an Punkten aufweist, an denen der Seilzug umgelenkt wird. Die Reibung des Seilzugs wird im Vergleich mit der Bowdenzuglösung reduziert.
Die vorliegende Erfindung trennt Aktoren von Gliedern und Gelenken und minimiert eine Masse und ein Trägheitsmoment für Glieder und bewegt die Masse und das Trägheitsmoment an eine bessere Stelle (in einer Ausführungsform beispielsweise ein zentralisierter Körper). Glieder und Gelenke können kleiner werden. Glieder und Gelenke sind widerstandsfähiger gegen Erschütterungen.
In verschiedenen Ausführungsformen können Gelenke unter Verwendung von Lagern, Buchsen, Schubstangen oder ähnlichen Elementen implementiert werden. Diese vorliegende Erfindung kann außerdem in mechanischen Manipulatoren verwendet werden, welche Federn als Gelenke verwenden, statt ein Gleit- oder Wälzgelenk aufzuweisen. Beispiele umfassen Federgelenke aus Metall oder Gummi.
Die Erfindung kann dort verwendet werden, wo Gelenke multidimensional sind, etwa bei einem Universalgelenk oder einem Gummigelenk.
Die Erfindung kann auf Nicht-Roboterstrukturen, etwa ein Seilzugbetätigungssystem in Fahrradgetrieben und Fahrradbremsen oder auf andere Anwendungen, die Bowdenzüge oder Riemenscheiben verwenden, angewendet werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass diese Details nur für diesen Zweck gedacht sind und dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil dazu gedacht ist, Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken. Beispielsweise versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung in Betracht zieht, dass, soweit es möglich ist, ein oder mehrere Merkmale einer beliebigen Ausführungsform mit einem oder mehreren Merkmalen einer beliebigen anderen Ausführungsform kombiniert werden kann bzw. können.

Claims

Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator, umfassend: ein erstes Glied; ein zweites Glied, das mit dem ersten Glied durch ein drehbares Gelenk drehbar gekoppelt ist; und einen ersten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist, um das erste Glied relativ zu dem zweiten Glied in eine erste Richtung um das Gelenk herum zu drehen, wobei der erste Seilzug mit dem ersten Glied an einem ersten Verankerungspunkt verbunden ist und durch eine Seilzugführung durch das zweite Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 1, wobei der erste Verankerungspunkt und die Seilzugführung positioniert sind, um das erste Glied um das Gelenk herum in eine erste Richtung zu drehen.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 2, ferner umfassend: einen zweiten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist, um das erste Glied relativ zu dem zweiten Glied in eine zweite Richtung um das Gelenk herum zu bewegen, wobei der zweite Seilzug an dem ersten Glied an einem zweiten Verankerungspunkt verankert ist und bei der Seilzugführung durch das zweite Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator, umfassend: ein erstes Glied; ein zweites Glied, das mit dem ersten Glied durch ein drehbares Gelenk drehbar gekoppelt ist; und einen ersten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist, um das erste Glied relativ zu dem zweiten Glied in eine erste Richtung um das Gelenk herum zu bewegen, wobei der erste Seilzug mit dem ersten Glied an einem ersten Verankerungspunkt verbunden ist und bei einer ersten Seilzugführung durch das zweite Glied hindurch verläuft; und einen zweiten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist, und das erste Glied relativ zu dem zweiten Glied in eine zweite Richtung um das Gelenk herum zu bewegen, wobei der zweite Seilzug an dem ersten Glied an einem zweiten Verankerungspunkt verankert ist und bei einer zweiten Seilzugführung durch das zweite Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 1, wobei: der erste Seilzug durch eine erste Seilzugführung an dem ersten Glied hindurch verläuft; und der zweite Seilzug durch eine zweite Seilzugführung an dem ersten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 1, wobei der erste Seilzug durch eine Feder mit dem ersten Glied verbunden ist.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 1, wobei die Seilzüge aus einem sehr starken synthetischen Material mit geringer Dehnung ausgebildet sind.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 7, wobei die Seilzüge aus einer geflochtenen Polyethylenschnur mit extrem hohem Molekulargewicht ausgebildet sind.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 3, wobei die Seilzugführung aus einem extrem harten Keramikmaterial ausgebildet ist.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 4, wobei die Seilzugführungen aus einem extrem harten Keramikmaterial ausgebildet sind.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 3, wobei die Seilzugführungen aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid oder Titandioxid oder polykristallinem Saphir oder Siliziumcarbid ausgebildet sind.
Vorgefertigte Seilzuganordnung für einen mechanischen Robotermanipulator, umfassend: einen Seilzug mit einer vorgewählten Länge; ein erstes Abschlussformstück, das mit einem ersten Ende des Seilzugs verbunden ist; ein zweites Abschlussformstück, das mit einem zweiten Ende des Seilzugs verbunden ist; und mindestens eine Seilzugführung, durch welcher der Seilzug hindurch verläuft.
Vorgefertigte Seilzuganordnung nach Anspruch 12, die ferner eine Feder umfasst, die mit dem Seilzug in Reihe verbunden ist und zwischen dem ersten und zweiten Abschlussformstück positioniert ist.
Vorgefertigte Seilzuganordnung nach Anspruch 12, wobei das erste und zweite Abschlussformstück in der Form von Ringen oder Blöcken vorliegen.
Vorgefertigte Seilzuganordnung nach Anspruch 12, wobei das erste und zweite Abschlussformstück Knoten sind.
Vorgefertigte Seilzuganordnung nach Anspruch 15, wobei das erste und zweite Abschlussformstück Palomar-Knoten sind.
Vorgefertigte Seilzuganordnung für einen mechanischen Robotermanipulator, umfassend: einen ersten Seilzug mit einer vorgewählten Länge und mit einem Abschlussformstück an ersten und zweiten Enden desselben; einen zweiten Seilzug mit einer vorgewählten Länge und mit einem Abschlussformstück an ersten und zweiten Enden desselben; eine erste Seilzugführung, durch welche der erste und zweite Seilzug hindurch verlaufen; und eine zweite Seilzugführung, durch welche der erste Seilzug hindurch verläuft.
Vorgefertigte Seilzuganordnung nach Anspruch 17, ferner umfassend: eine dritte Seilzugführung, durch welche der erste Seilzug hindurch verläuft; und eine vierte Seilzugführung, durch welche der zweite Seilzug hindurch verläuft.
Vorgefertigte Seilzuganordnung nach Anspruch 18, ferner umfassend: einen dritten Seilzug, der eine vorgewählte Länge und ein Abschlussformstück an ersten und zweiten Enden desselben aufweist, wobei der dritte Seilzug durch die erste Seilzugführung hindurch verläuft; und eine fünfte Seilzugführung, durch welche der dritte Seilzug hindurch verläuft.
Glied für einen mechanischen Robotermanipulator, umfassend: eine erste Sektion; eine zweite Sektion, die ausgestaltet ist, um zu der ersten Sektion zu passen; eine Lagerausnehmungsstruktur, die an einem ersten Ende von sowohl der ersten als auch der zweiten Sektion angeordnet ist und ausgestaltet ist, um ein Gelenklager in Position zu halten; eine Lagerachsenstruktur an einem zweiten Ende von sowohl der ersten als auch der zweiten Sektion, die dem ersten Ende gegenüberliegt und ausgestaltet ist, um eine Lagerachse in Position zu halten; mindestens eine Seilzugführungsöffnung, die in mindestens einer der ersten und zweiten Sektionen angeordnet ist; und mindestens eine Seilzugführungshalterung, die in mindestens einer der ersten und zweiten Sektionen angeordnet ist, wobei die mindestens eine Seilzugführungshalterung ausgestaltet ist, um eine Seilzugführung festzuhalten, die zur Aufnahme eines Seilzugs positioniert ist, welches durch die mindestens eine Seilzugführungsöffnung hindurch verlegt ist.
Glied nach Anspruch 20, das ferner mindestens einen Seilzugverankerungspunkt umfasst.
Glied nach Anspruch 20, wobei die mindestens eine Seilzugführungshalterung eine Leerstelle umfasst, die zur Aufnahme einer Seilzugführung gestaltet ist.
Glied nach Anspruch 22, wobei die mindestens eine Seilzugführung eine Öse ist und die mindestens eine Seilzugführungshalterung eine Leerstelle umfasst, die zur Aufnahme der Seilzugführungsöse gestaltet ist.
Glied für einen mechanischen Robotermanipulator, umfassend: ein längliches Element; eine Lagerstützstruktur, die ausgestaltet ist, um an einem ersten Ende des länglichen Elements montiert zu werden; eine Lagerachsenstützstruktur, die ausgestaltet ist, um an einem zweiten Ende des länglichen Elements gegenüber dem ersten Ende montiert zu werden; und mindestens eine Seilzugführungsstützstruktur, die zur Montage an dem länglichen Element ausgestaltet ist.
Glied nach Anspruch 24, das ferner mindestens einen Seilzugverankerungspunkt umfasst, der zur Montage an dem länglichen Element ausgestaltet ist.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator, umfassend: ein erstes Glied; ein zweites Glied, das durch ein drehbares Gelenk mit dem ersten Glied drehbar gekoppelt ist; eine erste Seilzugführung mit großer Härte, die in dem zweiten Glied angeordnet ist; und einen ersten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist, um das erste Glied relativ zu dem zweiten Glied um das Gelenk herum in eine erste Richtung zu bewegen, wobei der erste Seilzug mit dem ersten Glied an einem ersten Verankerungspunkt verbunden ist und durch die erste Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 26, ferner umfassend: einen zweiten Seilzug der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist, um das erste Glied relativ zu dem zweiten Glied in eine zweite Richtung um das Gelenk herum zu bewegen, wobei der zweite Seilzug mit dem ersten Glied an einem zweiten Verankerungspunkt verbunden ist.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 27, wobei der zweite Seilzug durch die erste Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 27, wobei der zweite Seilzug durch eine zweite Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 27, ferner umfassend: einen dritten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist, um das erste Glied relativ zu dem zweiten Glied in eine dritte Richtung um das Gelenk herum zu bewegen, wobei der dritte Seilzug mit dem ersten Glied an einem zweiten Verankerungspunkt verbunden ist.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 30, wobei der dritte Seilzug durch die erste Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 30, wobei der dritte Seilzug durch eine zweite Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 27, wobei der zweite Seilzug durch eine dritte Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 27, wobei der zweite Seilzug durch eine zweite Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 27, die ferner einen dritten Seilzug umfasst, der durch das erste und zweite Glied hindurch verläuft, wobei der dritte Seilzug durch die erste Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator, umfassend: ein erstes Glied; ein zweites Glied, das mit dem ersten Glied durch ein drehbares Gelenk drehbar gekoppelt ist; eine erste Seilzugführung mit großer Härte, die in dem ersten Glied angeordnet ist; eine zweite Seilzugführung mit großer Härte, die in dem zweiten Glied angeordnet ist; und einen ersten Seilzug, der durch eine erste Seilzugführung mit großer Härte in dem ersten Glied und durch eine zweite Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 36, ferner umfassend: einen zweiten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist, um das erste Glied relativ zu dem zweiten Glied in eine erste Richtung um das Gelenk herum zu bewegen, wobei der zweite Seilzug mit dem ersten Glied an einem ersten Verankerungspunkt verbunden ist und durch die zweite Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 36, ferner umfassend: eine dritte Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied; und einen zweiten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist, um das erste Glied relativ zu dem zweiten Glied in eine erste Richtung um das Gelenk herum zu bewegen, wobei der zweite Seilzug mit dem ersten Glied an einem ersten Verankerungspunkt verbunden ist und durch die dritte zweite Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft.
Roboterstruktur mit einem mechanischen Manipulator nach Anspruch 36, ferner umfassend: einen zweiten Seilzug, der zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied verbunden ist, um das erste Glied relativ zu dem zweiten Glied in eine erste Richtung um das Gelenk herum zu bewegen, wobei der zweite Seilzug mit dem ersten Glied an einem ersten Verankerungspunkt verbunden ist und durch die zweite Seilzugführung mit großer Härte in dem zweiten Glied hindurch verläuft und nicht durch die erste Seilzugführung mit großer Härte in dem ersten Glied.