DE19940603A1 - Manipulator has joint section with rotary single joint or chain of single joints with rotational axes - Google Patents
Manipulator has joint section with rotary single joint or chain of single joints with rotational axesInfo
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Abstract
Description
Diese Erfindung betrifft einen Manipulator mit wenigstens ei nem Gelenkabschnitt, der wenigstens zwei Glieder mittels ei nes rotatorischen Einzelgelenkes oder mittels einer kinemati schen Kette von mehreren rotatorischen Einzelgelenken mitein ander verbindet.This invention relates to a manipulator with at least one egg Nem joint section, the at least two links by means of egg nes rotary single joint or by means of a kinemati chain of several individual rotary joints other connects.
Ein derartiger Manipulator ist aus der EP 0 396 752 A1 be kannt. Darin ist ein Roboter mit einem mechanischen Arm be schrieben, der aus zwei Gliedern besteht, die beide jeweils ein Parallelogramm darstellen. Das erste und das zweite Glied des mechanischen Armes sind über ein Zwischenglied mithilfe von an den Ecken angebrachten rotatorischen Einzelgelenken gekoppelt.Such a manipulator is known from EP 0 396 752 A1 knows. Inside is a robot with a mechanical arm wrote, which consists of two links, both of them represent a parallelogram. The first and the second link of the mechanical arm are using an intermediate link of individual rotary joints attached to the corners coupled.
Manipulatoren, die auf Untersuchungen des menschlichen Arms beruhen, sind als sogenannte Kinematikmodelle für den Bereich der Robotik entwickelt worden. So ist es aus J. Lenarcic and A. Umek, Simple model of human arm reachable workspace, IEEE Transactions an Systems, Man and Cybernetics, 24(8), 1994, bekannt, solche Kinematikmodelle bzw. Manipulatorengelenkab schnitte, die beispielsweise Schulter und Ellenbogengelenk des menschlichen Armes entsprechen, aus Gelenkgliedern aufzu bauen, die jeweils nur einen kinematischen Freiheitsgrad ha ben. Dabei zeigt sich, daß eine kinematische Einfachheit von Modellen bzw. Manipulatoren erzielt werden kann, indem einan der zugeordnete Gelenkachsen in jeweiligen Gelenkabschnitten so gelegt werden, daß sie sich in wenigstens einem Punkt schneiden und in einer Grundstellung als nach den Hauptachsen des menschlichen Körpers ausgerichtet betrachtet werden kön nen. Diese kinematische Einfachheit wird jedoch damit er kauft, daß kein unmittelbarer anatomischer Zusammenhang zwi schen solchen Kinematikmodellen und einem menschlichen Arm gegeben ist. Im Vergleich zum menschlichen Arm erweist sich die Beweglichkeit solcher Modelle als stark eingeschränkt, weil die Gelenkkomplexe zu stark vereinfacht sind bzw. diese innere Singularitäten haben. Demnach sind die dynamischen Ei genschaften und konstruktiven Ausführungen solcher Modelle bzw. Manupulatoren unbefriedigend. So wird etwa bei dem aus dem beschriebenen Stand der Technik bekannten Kinematikmodell eines menschlichen Armes in Kauf genommen, daß dessen Ge samtgewicht auf dem Antrieb eines einzigen Gelenks lastet.Manipulators based on human arm examinations are based as so-called kinematic models for the area robotics. So it is from J. Lenarcic and A. Umek, Simple model of human arm reachable workspace, IEEE Transactions an Systems, Man and Cybernetics, 24 (8), 1994, known, such kinematics models or manipulator joint cuts that, for example, shoulder and elbow joint of the human arm to arise from articular members build, each with only one kinematic degree of freedom ha ben. It shows that a kinematic simplicity of Models or manipulators can be achieved by the assigned joint axes in the respective joint sections to be placed in such a way that at least on one point cut and in a basic position than according to the main axes of the human body nen. However, this kinematic simplicity becomes he buys that no direct anatomical connection between such kinematic models and a human arm given is. In comparison to the human arm it turns out the mobility of such models as severely restricted, because the joint complexes are oversimplified or these have inner singularities. Accordingly, the dynamic egg properties and constructive designs of such models or manipulators unsatisfactory. This is how it turns out the kinematics model known from the prior art of a human arm accepted that its ge total weight on the drive of a single joint.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Manipulator der eingangs ge nannten Art zu schaffen, der gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbesserte Bewegungsmöglichkeiten aufweist.The object of the invention is a manipulator of the beginning ge named type to create, compared to the prior art has significantly improved possibilities of movement.
Diese Aufgabe wird durch einen Manipulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Auf diese Weise wird ein Roboter- Manipulator geschaffen, mit dem sich nahezu exakt die Bewe gungen eines menschlichen Armes bzw. Armabschnittes ausführen lassen. Somit ist ein solcher Manipulator universell einsetz bar und eignet sich hervorragend zur Automatisierung von bis lang manuell ausgeführten industriellen Fertigungsprozessen. Die von der Physiologie eines menschlichen Armes abgeleitete Bauweise läßt darüber hinaus auch künstliche Muskeln als An trieb für den Manipulator zu.This task is performed by a manipulator with the characteristics of claim 1 solved. In this way, a robot Manipulator created with which the movement is almost exactly of a human arm or arm section to let. Such a manipulator can thus be used universally bar and is ideal for automating up to long manual industrial manufacturing processes. The one derived from the physiology of a human arm Construction also leaves artificial muscles as an on drove for the manipulator.
Durch die Merkmale der Ansprüche 2, 3 oder 4 wird eine Über lastung der rotatorischen Einzelgelenke vermieden. Die An triebe können platzsparend untergebracht werden und die Ka belführung wird erleichtert.Due to the features of claims 2, 3 or 4, an over load on the rotary individual joints avoided. The An Drives can be accommodated in a space-saving manner and the Ka guidance is facilitated.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 vermeidet das aufwendige Vorsehen von rotatorischen Antrieben.The embodiment according to claim 5 avoids the complex Providing rotary drives.
Durch die Merkmale der Weiterbildung nach Anspruch 6 wird die Steifigkeit der Gelenkabschnitte des Manipulators erhöht. Gleichzeitig wird durch die doppelte, d. h. zweischenklige Aufhängung eine Lagerung ohne Belastung durch unerwünschte Kipp- oder Drehmomente erzielt, so daß das Gewicht des jewei ligen Gliedes auf dem benachbarten Glied ruhen kann, ohne entsprechende Antriebe zu belasten.The features of the training according to claim 6 Stiffness of the joint sections of the manipulator increased. At the same time, the double, i.e. H. two-legged Suspension a storage without stress from unwanted Tilting or torque achieved, so that the weight of each left limb can rest on the neighboring limb without to load corresponding drives.
Durch die Merkmale des Anspruchs 7 wird eine exakte Defini tion der Geometrien und Bewegungsfunktionen aller Gelenkab schnitte im Schulter-, Arm- und Handbereich erzielt, indem als Referenzstellung immer ein Bezug zu dem globalen Koordi natensystem geschaffen wird.Due to the features of claim 7 is an exact definition tion of the geometries and movement functions of all joint ab cuts in the shoulder, arm and hand area achieved by as a reference position always a reference to the global coordi nate system is created.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.Further advantages and features of the invention result from the claims and from the following description of preferred embodiments of the invention.
Fig. 1 zeigt einen als Roboterarm ausgebildeten mehrglied rigen Manipulator gemäß der Ausführungsform der Er findung, Fig. 1 shows a robot arm designed as a multi-limbed manipulator according to the embodiment of the invention He,
Fig. 2 ein Antriebskonzept für einen Gelenkabschnitt des mehrgliedrigen Manipulators, Fig. 2 is a drive concept for a hinge portion of the multi-limbed manipulator,
Fig. 3 verschiedene Ausführungsformen eines der menschli chen Schultergelenkeinheit entsprechenden Gelenkab schnittes in dem mehrgliedrigen Manipulator, Fig. 3 different embodiments of one of the corresponding shoulder joint menschli chen unit Gelenkab section in the multi-limbed manipulator,
Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem menschlichen Skelett, Fig. 4 shows a detail from a human skeleton,
Fig. 5 eine schematische Darstellung des menschlichen Schlüsselbeinbereichs, Fig. 5 is a schematic representation of the human clavicle region,
Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung des menschlichen Schul terblattes, Fig. 6 is an enlarged representation of the human school terblattes,
Fig. 7 eine aus Rotationsgelenken aufgebaute Gelenkeinheit, die dem menschlichen Schultergürtelgelenk nachgebil det ist, Fig. 7 is a made up of rotary joints hinge unit det the human shoulder joint nachgebil,
Fig. 8 eine zum Einsatz in einem Roboterarm geeignete Schultergürtelgelenkeinheit, die aus der Schulter gürtelgelenkeinheit von Fig. 7 abgeleitet ist, . 8 suitable for use in a robot shoulder joint unit, the belt unit from the shoulder joint of Fig. 7 Fig derived,
Fig. 9 eine schematische Darstellung des menschlichen Schultergelenks, und Fig. 9 is a schematic representation of the human shoulder joint, and
Fig. 10 eine menschliche Hand, die einen Werkzeuggriff hält. Fig. 10 shows a human hand holding a tool handle.
In der Fig. 1 ist als Manipulator ein Roboterarm 1 darge stellt. Er umfaßt eine Trägerstruktur 2, an der schwenkbeweg lich um eine Drehachse zts1 ein Arbeitsarm 3 angelenkt ist. Der Arbeitsarm 3 umfaßt einen Gelenkabschnitt, der einem menschlichen Schultergürtelgelenk entspricht, einen Gelenkab schnitt 12, der einem menschlichen Schultergelenk entspricht, einen Gelenkabschnitt, der einem menschlichen Ellenbogenge lenk entspricht und einen Gelenkabschnitt, der einem mensch lichen Handgelenk entspricht.In Fig. 1, a robot arm 1 is Darge provides manipulator. It comprises a support structure 2 , on which a working arm 3 is articulated so as to be pivotable about an axis of rotation zts1. The work arm 3 includes a hinge portion that corresponds to a human shoulder girdle joint, a joint portion 12 that corresponds to a human shoulder joint, a hinge portion that corresponds to a human elbow joint, and a hinge portion that corresponds to a human wrist.
Der dem menschlichen Schultergürtelgelenk entsprechende Ge lenkabschnitt des Roboterarmes 1 umfaßt eine Stützträger struktur 4, die schwenkbeweglich um eine Drehachse zts1 an einer Trägerstruktur 2 aufgenommen ist. An einer Flanke 5 der Stützträgerstruktur 4 ist eine zweite Stützträgerstruktur 6 schwenkbeweglich um eine Achse zts2 gelagert. An einer Seite 8 der Stützträgerstruktur 6 ist in einem Drehlager 9 um eine Achse zts3 eine Trägerstruktur 10 mit zugeordnetem Hebelarm 11 aufgenommen.The corresponding to the human shoulder girdle joint section of the robot arm 1 comprises a support support structure 4 , which is pivotally mounted about a rotation axis zts1 on a support structure 2 . On a flank 5 of the support beam structure 4 , a second support beam structure 6 is pivotally mounted about an axis zts2. On one side 8 of the support support structure 6 , a support structure 10 with an associated lever arm 11 is received in a rotary bearing 9 about an axis zts3.
Die Drehachse zts1 und die Drehachse zts2 schneiden sich in einem Punkt Oij. Die Drehachse zts2 und die Drehachse zts3 schneiden sich im Punkt Oai. Mit einem Eckpunkt Oac der zwei ten Stützträgerstruktur 6 und einem Eckpunkt des zur Träger struktur 10 gehörenden Hebelarmes 11 spannt der Punkt Oai ein Dreieck Oai, Oac, Ots auf.The axis of rotation zts1 and the axis of rotation zts2 intersect at a point O ij . The axis of rotation zts2 and the axis of rotation zts3 intersect at point O ai . With a corner point O ac of the two th support beam structure 6 and a corner point of the lever arm 11 belonging to the support structure 10, the point O ai spans a triangle O ai , O ac , O ts .
Bezüglich eines zur Trägerstruktur 2 festen kartesischen Ko
ordinatensystem 100, vorzugsweise einem globalen Koordinaten
system 100', wie anhand der Fig. 4 ausführlich erläutert,
dessen Ursprung in dem Punkt Oij gelegt ist, gilt in einer
Referenzstellung des Arbeitsarmes 4 für die Aufpunkte h ai,
h ac, h ts der Punkte Oai, Oac, Ots
Relative to a fixed to the support structure 2 Cartesian co ordinate system 100, preferably a global coordinate system 100 ', as explained in detail with reference to FIG. 4, whose origin is placed at the point O ij, applicable in a reference position of the working arm 4 for the model points h ai , h ac , h ts of the points O ai , O ac , O ts
h ac = (165, -96, 58)
h ac = (165, -96, 58)
h ai = (119, -160, -109)
h ai = (119, -160, -109)
h ts = (86, -163, 0),
h ts = (86, -163, 0),
wobei als Einheiten für diese und alle nachfolgenden Län genangaben mm gewählt sind.being units for this and all subsequent countries mm are selected.
Die Drehachse zts2 ist an der Drehachse zts1 im Ursprung des
kartesischen Koordinatensystems 100 angelenkt und schließt
mit dieser einen Winkel von α1 = 61,3° ein. Bezüglich des kar
tesischen Koordinatensystems 100 verläuft die Drehachse zts1
entlang dem normierten Richtungsvektor
The axis of rotation zts2 is articulated on the axis of rotation zts1 in the origin of the Cartesian coordinate system 100 and forms an angle with it of α 1 = 61.3 °. With respect to the Cartesian coordinate system 100 , the axis of rotation zts1 runs along the normalized direction vector
ηts1 = (0, 0, 1),
η ts1 = (0, 0, 1),
wobei ihr Aufpunkt im Ursprung liegt. Die Drehachse zts2 ver
läuft entlang dem normierten Richtungsvektor
with its origin at the origin. The axis of rotation zts2 runs along the normalized direction vector
η ts2 = (0.524, -0.704, -0.480),
η ts2 = (0.524, -0.704, -0.480),
wobei ihr Aufpunkt ebenfalls im Ursprung liegt. In einem Ab
stand a = 227,2 auf der Drehachse zts2 vom Ursprung Oij des Ko
ordinatensystems 100 ist die Drehachse zts3 unter einem Win
kel α2 = 57° angelenkt, so daß in der Referenzstellung der
Punkte Oai, Oac, Ots für den normierten Richtungsvektor der
Drehachse zts3 im Koordinatensystem 100 gilt
with its origin also at the origin. From a stood a = 227.2 on the axis of rotation zts2 from the origin O ij of the coordinate system 100 , the axis of rotation zts3 is articulated at an angle α 2 = 57 °, so that in the reference position the points O ai , O ac , O ts applies to the normalized direction vector of the axis of rotation zts3 in the coordinate system 100
η ts3 = (0.251, 0.343, 0.905). η ts3 = (0.251, 0.343, 0.905).
Dem dem menschlichen Schultergürtel entsprechende Gelenkab
schnitt des Arbeitsarmes 3 ist durch eine dreiachsige Roll-
Pitch-Yaw-Gelenkeinheit 12 ein Gelenkabschnitt zugeordnet,
der einem menschlichen Schultergelenk entspricht. Diese Roll-
Pitch-Yaw-Gelenkeinheit 12 hat Drehachsen zsh1, zsh2, zsh3,
die senkrecht aufeinanderstehen und sich in einem Punkt Osh
schneiden. In der Referenzstellung des Schultergürtelgelenk
abschnittes gilt für den Ortsvektor h sh dieses Schnittpunktes
Osh im Koordinatensystem 100
The joint section corresponding to the human shoulder girdle of the working arm 3 is assigned a joint section by a three-axis roll pitch yaw joint unit 12 , which corresponds to a human shoulder joint. This roll pitch yaw joint unit 12 has axes of rotation zsh1, zsh2, zsh3 which are perpendicular to one another and intersect at a point O sh . In the reference position of the shoulder girdle joint section applies to the location vector h sh of this intersection O sh in the coordinate system 100
η sh = (178, -69, 18),
η sh = (178, -69, 18),
wobei die Drehachse zsh1 parallel zu der von den Punkten Oac,
Oai, Ots aufgespannten Dreiecksebene verläuft und unter einem
Winkel von β1 = 135° zu der Gelenkachse zts3 steht. Dabei be
trägt der Abstand des Punktes Osh, in dem sich die Drehachsen
zsh1, zsh2, zsh3 schneiden, von dem Punkt, an dem die Achse
zsh1 an der Achse zts3 gelagert ist, etwa 57,3 mm. Dieser La
gerpunkt an der Achse zsh1 an der Achse zts3 ist etwa 120,8
a. u. vom Punkt Oai entlang der Achse zts3 entfernt. Eine Re
ferenzstellung für die Orientierung der dem menschlichen
Schultergelenk entsprechenden Gelenkeinheit ist durch Angabe
von Aufpunkt h shi und den normierten Richtungsvektoren ηshi der
Drehachsen zhsi (i = 1, 2, 3) wie folgt festgelegt
h sh1 = h sh = (178.0, -69.0, 18.0),
wherein the axis of rotation zsh1 runs parallel to the triangular plane spanned by the points O ac , O ai , O ts and is at an angle of β 1 = 135 ° to the joint axis zts3. The distance of the point O sh , at which the axes of rotation zsh1, zsh2, zsh3 intersect, from the point at which the axis zsh1 is mounted on the axis zts3 is approximately 57.3 mm. This bearing point on the axis zsh1 on the axis zts3 is approximately 120.8 au from the point O ai along the axis zts3. A reference position for the orientation of the joint unit corresponding to the human shoulder joint is specified by specifying the starting point h shi and the normalized direction vectors η shi of the axes of rotation zhsi (i = 1, 2, 3) as follows
h sh1 = h sh = (178.0, -69.0, 18.0),
h sh2 = h sh
h sh2 = h sh
h sh3 = h sh
h sh3 = h sh
η sh1 = (-0.730, -0.584, -0.355)
η sh1 = (-0.730, -0.584, -0.355)
η sh2 = (-0.271, -0.218, 0.937)
η sh2 = (-0.271, -0.218, 0.937)
η sh3 = (-0.626, 0.780, 0). η sh3 = (-0.626, 0.780, 0).
Dem Gelenkabschnitt 12 schließt sich ein Oberarmteil 13 an, das an einem Ende in einer Gelenkgabel 14 schwenkbeweglich um eine Achse zh2 gelagert ist und an einem anderen Ende eine Gelenkgabel 15 aufweist, in der eine als Ellenbogengelenk fungierende Achse zhu gehalten ist. Oberarmteil 13 mit Ge lenkgabel 14 und Gelenkgabel 15 sind dabei so bemessen, daß bei Referenzstellung von sowohl dem Gelenkabschnitt, der dem menschlichen Schultergürtelgelenk entspricht, als auch dem Gelenkabschnitt 12, der dem menschlichen Schultergelenk ent spricht, das Oberarmteil 13 parallel zur Achse zij des Koor dinatensystems 100 ausgerichtet ist, wobei das Rotationszen trum Osh des Gelenkabschnittes 12 und die als Ellenbogenge lenk fungierende Achse zhu senkrecht in die von den xij-xij- Achsen des Koordinatensystems 100 aufgespannte Ebene proje ziert werden, der Abstand der Projektion von dem Punkt Osh zur Projektion der als Ellenbogengelenk fungierenden Achse zhu parallel zum Oberarmteil 13 345 mm beträgt.The articulated section 12 is adjoined by an upper arm part 13 , which is pivotally mounted at one end in an articulated fork 14 about an axis zh2 and at another end has an articulated fork 15 in which an axis zhu, which functions as an elbow joint, is held. Upper arm part 13 with Ge steering fork 14 and joint fork 15 are dimensioned such that when the reference position of both the joint section, which corresponds to the human shoulder girdle joint, and the joint section 12 , which speaks ent to the human shoulder joint, the upper arm part 13 parallel to the axis z ij des Coordinate system 100 is aligned, wherein the center of rotation O sh of the joint section 12 and the axis acting as an elbow joint zhu are projected perpendicularly into the plane spanned by the x ij -x ij axes of the coordinate system 100 , the distance of the projection from that Point O sh for the projection of the axis acting as an elbow joint zhu parallel to the upper arm part is 13 345 mm.
Die als Ellenbogengelenk fungierende Achse zhu bildet mit dem Oberarmteil 13 einen Winkel von γ1 = 81° und ist bei Referenz stellung von dem dem menschlichen Schultergürtelgelenk ent sprechenden Gelenkabschnitt und dem Gelenkabschnitt 12, der dem menschlichen Schultergelenk entspricht, parallel zu der von den Achsen xij und zij aufgespannten Ebene des Koordina tensystems 100 ausgerichtet.The axis zhu acting as an elbow joint forms an angle of γ 1 = 81 ° with the upper arm part 13 and is at the reference position of the joint section corresponding to the human shoulder girdle joint and the joint section 12 which corresponds to the human shoulder joint, parallel to that of the axes x ij and z ij spanned plane of the coordinate system 100 aligned.
An der als Ellenbogengelenk fungierenden Achse zhu ist unter Bilden eines 90°-Winkels ein erster Unterarmteil 16 ange lenkt, dem die Funktion einer menschlichen Speiche zukommt.On the axis zhu acting as an elbow joint, a first forearm part 16 is deflected to form a 90 ° angle, which has the function of a human spoke.
Am Ende des Unterarmteiles 16 ist in einer Gelenkeinheit 17
ein zweites Unterarmteil um eine Drehachse zru angelenkt, der
die Funktion einer menschlichen Elle zukommt. Dabei ist der
Unterarmteil 16 in einem Endbereich in der festgelegten Ge
lenkeinheit derart aufgenommen, daß sich die Drehachse zru
und die als Ellenbogengelenk fungierende Achse zhu in einem
Punkt Oru unter Bildung eines 90°-Winkels schneiden, wobei
bei Referenzstellung von dem dem menschlichen Schultergürtel
gelenk entsprechenden Gelenkabschnitt und dem Gelenkabschnitt
12, der dem menschlichen Schultergelenk entspricht, für den
Aufpunkt des Punktes Oru im Koordinatensystem 100 gilt:
At the end of the forearm part 16 , a second forearm part is articulated in a joint unit 17 about an axis of rotation, which has the function of a human ulna. Here, the forearm part 16 is received in an end region in the fixed Ge steering unit such that the axis of rotation zru and the axis acting as the elbow joint zhu intersect at a point O ru to form a 90 ° angle, with the reference to the human shoulder girdle joint corresponding joint section and joint section 12 , which corresponds to the human shoulder joint, for the point of origin O ru in the coordinate system 100 :
h ru = (221.0, -59.1, -320.3). h ru = (221.0, -59.1, -320.3).
Wird der Unterarmteil 16 bzw. 18 so weit angewinkelt, daß die
Drehachse zru senkrecht zu der von den Achsen xij, zij des Ko
ordinatensystems 100 aufgespannten Ebene steht, was nachfol
gend als Referenzstellung des Unterarm-Abschnittes bezeichnet
wird, so gilt für den Richtungsvektor η ru der Drehachse zru
im Koordinatensystem 100
If the forearm part 16 or 18 is angled so far that the axis of rotation zru is perpendicular to the plane spanned by the axes x ij , z ij of the coordinate system 100 , which is hereinafter referred to as the reference position of the forearm section, then applies to the Direction vector η ru of the axis of rotation zru in the coordinate system 100
η ru = (-0.004, 0.999.0). η ru = (-0.004, 0.999.0).
An einem anderen Ende des als Elle fungierenden Unterarmtei les 18 ist eine Handgelenk- und Griffeinheit 19 angeordnet. Die Handgelenk- und Griffeinheit 19 weist eine erste rotato rische Gelenkeinheit mit Gelenkachse zrc1 auf, an der ein Handgelenkglied 20 festgelegt ist, in dem eine zweite rotato rische Gelenkeinheit mit Gelenkachse zrc2 aufgenommen ist, um ein zweites Handgelenkglied 21 mit Griffteil 23 schwenkbeweg lich zu halten. Der Abstand zwischen den Achsen zhu und zrc1, gemessen entlang der Achse zru, beträgt 296 mm. Die Gelenkach sen zrc1 und zrc2 sind etwa 20 a. u. voneinander beabstandet und verlaufen senkrecht zueinander.At another end of the forearm portion 18 which functions as a ulna, a wrist and grip unit 19 is arranged. The wrist and handle unit 19 has a first rotary joint unit with an articulated axis zrc1, on which a wrist member 20 is fixed, in which a second rotary joint unit with an articulated axis zrc2 is received in order to hold a second wrist member 21 with the handle part 23 in a pivotable manner . The distance between the zhu and zrc1 axes, measured along the zru axis, is 296 mm. The articulated axes zrc1 and zrc2 are approximately 20 apart from each other and are perpendicular to each other.
Bei Referenzstellung von dem dem menschlichen Schultergürtel
gelenk entsprechenden Gelenkabschnitt, dem Gelenkabschnitt
12, der dem menschlichen Schultergelenk entspricht und bei
Referenzstellung des Unterarm-Abschnittes ist die Lage der
Gelenkachse zrc1 in dem Koordinatensystem 100 wie folgt fest
gelegt: Aufpunkt:
In the reference position of the joint section corresponding to the human shoulder girdle, the joint section 12 , which corresponds to the human shoulder joint and in the reference position of the forearm section, the position of the joint axis zrc1 in the coordinate system 100 is defined as follows:
h rc1 = (223, 237, -332)
h rc1 = (223, 237, -332)
und Orientierung
and orientation
η rc1 = (0.966, 0.003, 0.259). η rc1 = (0.966, 0.003, 0.259).
Dabei wird für das an der Gelenkachse zrc1 angelenkte Handge
lenk 22 eine Referenzstellung mittels der Bedingung defi
niert, daß die Gelenkachse zrc2 um 20° aus der Senkrechten
der von als Elle und Speiche fungierenden Unterarmteile 16
und 18 gebildeten Ebene in Richtung des Unterarmes geneigt
ist. Damit gilt bei Referenzstellung von dem dem menschlichen
Schultergürtelgelenk entsprechenden Gelenkabschnitt, dem Ge
lenkabschnitt 12, der dem menschlichen Schultergelenk ent
spricht, bei Referenzstellung von Unterarm-Abschnitt und
Handgelenkglied 22 für den Aufpunkt h rc2 der Gelenkachse zrc2
im Koordinatensystem 100
In this case, for the hinged at the hinge axis ZrC1 Handge steering 22, a reference position means the condition defi ned in that the articulation axis is zrc2 inclined by 20 ° from the vertical that of acting as a radius and ulna arm parts 16 and 18 the plane formed in the direction of the forearm. Thus, when the reference position of the joint section corresponding to the human shoulder girdle joint, the joint section 12 which speaks to the human shoulder joint applies, when the forearm section and wrist member 22 are in the reference position, the starting point h rc2 of the joint axis zrc2 in the coordinate system 100
h rc2 = (244, 256., -322)
h rc2 = (244, 256., -322)
und den Richtungsvektor (Orientierung)
and the direction vector (orientation)
η rc2 = (-0.251, -0.226, 0.941). η rc2 = (-0.251, -0.226, 0.941).
Am Handgelenkglied 22 ist ein Griffteil 23 angeordnet, das
durch eine Halbschale gebildet ist, deren Form die Innenflä
che einer menschlichen Hand darstellen soll und die an einer
Seite mit einem Ring 24 versehen ist, dem die Bedeutung eines
menschlichen Daumens und Zeigefingers zukommt. Die Halbschale
hat eine Achse ztcp, die bei Referenzstellung der übrigen
Glieder des Roboterarmes 1 durch einen Aufpunkt
On the wrist member 22 , a grip part 23 is arranged, which is formed by a half-shell, the shape of which is intended to represent the inner surface of a human hand and which is provided on one side with a ring 24 , which has the meaning of a human thumb and index finger. The half-shell has an axis ztcp which, when the other links of the robot arm 1 are in the reference position, by a point of origin
h tcp = (236.6, 262.8, -311.6)
h tcp = (236.6, 262.8, -311.6)
und einen Richtungsvektor
and a direction vector
η tcp = (0.860, 0.510, .0.00)
η tcp = (0.860, 0.510, .0.00)
definiert ist.is defined.
Als Antriebskonzept für den Roboterarm eignen sich Spindel- und Linearantriebe und Seilzüge, die entsprechend einem menschlichen Muskel verschiedene Glieder verbindet.As a drive concept for the robot arm, spindle and linear drives and cable pulls, which correspond to a human muscle connects different limbs.
Für den Gelenkabschnitt, der dem menschlichen Schultergürtel gelenk entspricht, ist in der Fig. 2 ein Antriebskonzept für die an der Trägerstruktur 2 schwenkbeweglich befestigte Ge lenkeinheit dargestellt. Soweit Komponenten dabei mit denen der Fig. 1 übereinstimmen, haben diese gleiche Bezugszeichen. Der um die Achse zts1 an der Trägerstruktur 2 angelenkte Stützträgerstruktur 4 ist ein erster Linearantrieb 30 zuge ordnet, der bei dem Punkt Oai festgelegt ist und in einem Be reich 31 sich auf der Trägerstruktur 2 abstützt. Er verbindet die von der Stützträgerstruktur 4 gebildete Schwinge unter Schaffung eines Tetraeders mit der Trägerstruktur 2. Ein zweiter Linearantrieb 32 ist an einer Stelle 33 an der Trä gerstruktur 2 angelenkt und in einem Bereich des Punkte Oac mit der Stützträgerstruktur 6 verbunden, um entsprechend dem Linearantrieb 30 wiederum eine Tetraederstruktur auszubilden. Ein dritter Linearantrieb 34 ist an einer Stelle 35 an der Seite 5 der Stützträgerstruktur 4 abgestützt und mit dem zu dem Drehlager 9 gehörenden Hebelarm 11 an einem Punkt Ots festgelegt. Die drei Linearantriebe 30, 32 und 34 verstreben somit den dem menschlichen Schultergürtelgelenk entsprechen den Gelenkabschnitt des Robotermechanismus derart, daß jedes bewegliche Glied darin in einer stabilen Tetraederstruktur aufgenommen ist. Der Umstand, daß dabei alle Antriebe in dem Gelenkabschnitt platzsparend angeordnet sind, führt darüber hinaus dazu, daß ausreichend Raum für eine Anordnung von An trieben zur Verfügung steht, die gegebenenfalls den übrigen Gelenkeinheiten des in der Fig. 1 dargestellten Robotermecha nismus zugeordnet sind.For the joint section, which corresponds to the human shoulder girdle joint, a drive concept for the pivotally attached to the support structure 2 Ge joint unit is shown in FIG. 2. Insofar as components match those of FIG. 1, they have the same reference numerals. The articulated on the support structure 2 about the axis zts1 support support structure 4 is assigned a first linear drive 30 , which is fixed at the point O ai and is supported in a region 31 on the support structure 2 . It connects the rocker formed by the support support structure 4 to the support structure 2 , creating a tetrahedron. A second linear drive 32 is articulated at a point 33 on the carrier structure 2 and is connected in an area of the point O ac to the support carrier structure 6 in order in turn to form a tetrahedral structure in accordance with the linear drive 30 . A third linear drive 34 is supported at a point 35 on the side 5 of the support carrier structure 4 and is fixed at a point Ots with the lever arm 11 belonging to the pivot bearing 9 . The three linear drives 30 , 32 and 34 thus brace the joint section of the robot mechanism corresponding to the human shoulder girdle joint such that each movable member is accommodated therein in a stable tetrahedral structure. The fact that all drives are arranged in a space-saving manner in the joint section also leads to the fact that sufficient space for an arrangement of drives is available, which may be assigned to the other joint units of the robot mechanism shown in FIG. 1.
In der Fig. 3 sind alternative Ausführungsformen 12a, 12b, 12c, 12d und 12e der Schultergelenkeinheit 12 aus Fig. 1 ab gebildet, der in Fig. 3 die Ausführungsform 12f entspricht. Den in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsformen einer Schultergelenkeinheit sind jeweils drei Gelenkfreiheitsgrade gemeinsam, wie dies auch beim menschlichen Schultergelenk der Fall ist. Diese drei Gelenkfreiheitsgrade ermöglichen prinzi piell sechs unterschiedliche Gelenkkonfigurationen von senk recht aufeinanderstehenden Gelenkachsen, die sich alle in ei nem Punkt schneiden. Die Gelenkeinheiten 12a und 12b bilden dabei sogenannten Roll-Pitch-Roll-Gelenke, die sich dadurch auszeichnen, daß eine dritte Rotationsachse des Gelenks par allel zur Längsachse eines anschließenden Armelements ausge richtet ist. Eine solchermaßen ausgebildete Gelenkeinheit bietet gegebenenfalls Vorteile bei einer erforderlichen Ka belführung und wird häufig bei antropomorph ausgebildeten Ro boterarmen eingesetzt. Sie haben jedoch einen gravierenden Nachteil, der darin liegt, daß im Zentrum ihres Arbeitsraumes eine Singularität auftritt, nämlich dann, wenn bei der Ge lenkeinheit 12a der Oberarm in x-Richtung bzw. bei der Ge lenkeinheit 12b der Oberarm in y-Richtung zeigt. Im Gegensatz dazu sind die Gelenkeinheiten 12c bis 12f als sogenannte Roll-Pitch-Yaw-Gelenkeinheiten ausgebildet, bei denen eine dritte Achse senkrecht auf einer Längsachse eines anschlie ßenden Armelementes steht. Im Vergleich zu Roll-Pitch-Roll- Gelenken ist deshalb etwas mehr Platz erforderlich, jedoch treten bei diesen Gelenkeinheiten keine Singularitäten im Zentrum eines Arbeitsraumes auf. Allerdings ist der Arbeits raum von Roll-Pitch-Yaw-Gelenkeinheiten kleiner als derjenige von Roll-Pitch-Roll-Gelenken. Soll der Arbeitsraum eines Ro boterarmes nicht unnötig eingeschränkt werden, ist eine sorg fältige Auswahl zu treffen. Eine bevorzugte Gelenkkonfigura tion stellt das Roll-Pitch-Yaw-Gelenk 12f dar, das der dem menschlichen Schultergelenk entsprechenden Gelenkeinheit 12 im Roboterarm 1 aus Fig. 1 entspricht.In FIG. 3, alternative embodiments are 12 a, 12 b, 12 c, 12 d and 12 e of the shoulder joint assembly 12 of FIG. 1 is formed from, which the embodiment 12 corresponds to f in Fig. 3. The embodiments of a shoulder joint unit shown in FIG. 3 have three joint degrees of freedom in common, as is the case with the human shoulder joint. In principle, these three degrees of joint freedom enable six different joint configurations of vertically superimposed joint axes, all of which intersect at one point. The joint units 12 a and 12 b form so-called roll-pitch-roll joints, which are characterized in that a third axis of rotation of the joint is aligned par allel to the longitudinal axis of a subsequent arm element. A joint unit designed in this way may offer advantages in the case of a necessary cable guide and is frequently used in robot arms with an antropomorphic design. However, they have a serious disadvantage that lies in the fact that a singularity occurs in the center of their working space, namely when the upper arm in the Ge direction unit 12 a in the x direction or in the Ge steering unit 12 b the upper arm in the y direction shows. In contrast, the joint units 12 c to 12 f are designed as so-called roll pitch yaw joint units, in which a third axis is perpendicular to a longitudinal axis of a subsequent arm element. Compared to roll-pitch-roll joints, a little more space is therefore required, but there are no singularities in the center of a work space with these joint units. However, the working space of roll pitch yaw joint units is smaller than that of roll pitch roll joints. If the working area of a robot arm is not to be restricted unnecessarily, a careful selection must be made. A preferred joint configuration is the roll pitch yaw joint 12 f, which corresponds to the joint unit 12 corresponding to the human shoulder joint in the robot arm 1 from FIG. 1.
Die Lage der Achsen eines jeden der rotatorischen Einzelge lenke in den anhand der Fig. 1, 2 und 3 erläuterten Gelenkab schnitten eines Roboterarmes ist aufgrund ihrer Anordnung auf die Form und biomechanische Funktion eines menschlichen Ge lenkabschnittes im Schulter- und/oder Handbereich abgestimmt. Es versteht sich, daß für eine Abstimmung des Roboterarmes auf Form und biomechanische Funktion des menschlichen Armes es vornehmlich auf das Längenverhältnis der Abschnitte des Roboterarmes ankommt. Die kinematischen Charakteristika eines Roboterarmes, wie zuvor beschrieben, ändern sich nur unwe sentlich, wenn die Längenabmessungen in einem relativen Schwankungsbereich von ca. ±20% und die von Drehachsen bzw. Baugruppen gebildeten Winkel im Roboterarm relativ zueinander um ca. ±10° verändert werden.The position of the axes of each of the rotary individual joints in the articulated sections of a robot arm explained with reference to FIGS. 1, 2 and 3 is matched due to their arrangement to the shape and biomechanical function of a human joint section in the shoulder and / or hand area. It goes without saying that for a matching of the robot arm to the shape and biomechanical function of the human arm, it is primarily the aspect ratio of the sections of the robot arm that is important. The kinematic characteristics of a robot arm, as described above, change only insignificantly if the length dimensions in a relative fluctuation range of approximately ± 20% and the angles formed by axes of rotation or assemblies in the robot arm are changed by approximately ± 10 ° relative to one another .
Nachfolgend wird nun detailliert erläutert, wie die Abmessun gen des anhand der Fig. 1, 2 und 3 beschriebenen Roboterarmes durch Funktion und Lage an natürlichen Gelenkeinheiten im Schultergürtel-Arm und Handbereich in einem menschlichen Arm motiviert sind.In the following it will now be explained in detail how the dimensions of the robot arm described with reference to FIGS. 1, 2 and 3 are motivated by function and position on natural joint units in the shoulder girdle arm and hand area in a human arm.
Die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines menschlichen Skelet tes 40 mit einem Brustkorb (Thorax) 41. Am Brustbein (Sternum) 42 des Brustkorbes 41 ist über die Articulatio Sternoclavicularis 43 das Schlüsselbein (Clavicula) 44 am Brustbein 42 angelenkt. Am Schlüsselbein 44 befindet sich das Schulterblatt (Scapula) 45. Schulterblatt 45 und Schlüssel bein 44 sind miteinander über die Articulatio Acromioclavicu laris 46 verbunden. Eine Verbindung zwischen Brustkorb 41 und Schulterblatt 45 wird in dem der Wirbelsäule zugewandten Be reich des Schulterblattes 45 mittels der Articulatio Thora coscapularis bewirkt. FIG. 4 shows a section of a human skeleton tes 40 to a chest (thorax) 41. The breastbone (sternum) 42 of the chest 41 is articulated about the articulation 43 sternoclavicularis the clavicle (clavicle) 44 on the sternum 42nd The scapula 45 is located on the clavicle 44 . Shoulder blade 45 and clavicle 44 are connected to one another via the Articulatio Acromioclavicu laris 46 . A connection between the rib cage 41 and the shoulder blade 45 is effected in the region of the shoulder blade 45 facing the spine by means of the articulation Torah coscapularis.
Der menschliche Schultergürtelbereich umfaßt damit drei Ge lenke und bildet eine kinematisch geschlossene Kette. Bewe gungen des menschlichen Schultergürtels erweisen sich immer als Bewegungen dieser Einzelgelenke. Die Position des Schul terblattes 45 kann mittels drei charakteristischen Punkten beschrieben werden, nämlich dem Mittelpunkt O'ac der Articu latio Acromioclavicularis 46, sowie den Endpunkten "Trigonum Spinae" O'ts und "Angulus Inferior" O'ai des Schulterblattes 45.The human shoulder girdle area thus comprises three joints and forms a kinematically closed chain. Movements of the human shoulder girdle always prove to be movements of these individual joints. The position of the shoulder blade 45 can be described using three characteristic points, namely the center O ' ac of the Articu latio Acromioclavicularis 46 , and the end points "Trigonum Spinae"O' ts and "Angulus Inferior" O ' ai of the shoulder blade 45 .
Wird im Brustkorb an der Incisura Jugularis 47 ein globales
Koordinatensystem 100' verankert, so gilt bei einer in
"F. C. T. von der Helm, H. E. J. Veeger, G. M. Pronk, L. H. V. von
der Woude and R. H. Rozendal; Geometry parameters of musculos
keletal modelling of the shoulder mechanism; Journal of Boi
mechanics, 25(2): 129-144, 1992" festgelegten Referenzstel
lung des Schultergürtels für die Ortsvektoren der Punkte Oac,
Ots und Oai
If a global coordinate system 100 'is anchored in the chest at the Incisura Jugularis 47 , then in Geometry parameters of musculos keletal modeling of the shoulder mechanism applies in "FCT von der Helm, HEJ Veeger, GM Pronk, LHV von der Woude and RH Rozendal ; Journal of Boi mechanics, 25 (2): 129-144, 1992 "specified reference position of the shoulder girdle for the location vectors of the points O ac , O ts and O ai
h'ac = (165 mm, -96 mm, 58 mm)
h ' ac = (165 mm, -96 mm, 58 mm)
h'ts = (86 mm, -163 mm, 0 mm)
h ' ts = (86 mm, -163 mm, 0 mm)
h'ai = (119 mm, -160 mm, -109 mm).h ' ai = (119 mm, -160 mm, -109 mm).
Die Ortsvektoren dieser Punkte entsprechen somit in ihrer La ge den Ortsvektoren der Punkte Oac, Ots und Oai aus Fig. 1 und 2 für den Fall, daß sich der in Fig. 1 dargestellte Roboter arm bezüglich dem Koordinatensystem 100 in einer Referenz stellung befindet. Folglich sind die Abmessungen des am Drehlager 9 befestigten Hebelarmes 11 aus Fig. 1 durch die Dimensionen eines in Fig. 4 dargestellten menschlichen Schul terblattes 45 motiviert.The location vectors of these points thus correspond in their position to the location vectors of the points O ac , O ts and O ai from FIGS. 1 and 2 in the event that the robot arm shown in FIG. 1 is in a reference position with respect to the coordinate system 100 located. Consequently, the dimensions of the lever arm 11 attached to the pivot bearing 9 from FIG. 1 are motivated by the dimensions of a human school leaf 45 shown in FIG. 4.
Die Gelenkflächen der Articulatio Sternoclavicularis sind beim Menschen schwach sattelförmig ausgebildet jedoch nicht ganz kongruent Dies führt zu einer Fehlanpassung der beiden Gelenkflächen, die durch den sogenannten Diskus Articularis ausgeglichen wird, der ferner, wie in "B. Tillmann and G. Töndury, Bewegungsapparat, Georg Thieme, Stuttgart, 1987", beschrieben, eine begrenzte Rotation des Schlüsselbeines um seine Längsachse ermöglicht.The articular surfaces of the articulation Sternoclavicularis are but not saddle-shaped in humans quite congruent This leads to a mismatch between the two Articular surfaces created by the so-called Diskus Articularis is compensated, which, as in "B. Tillmann and G. Töndury, musculoskeletal system, Georg Thieme, Stuttgart, 1987 ", described a limited rotation of the clavicle around its longitudinal axis enables.
Die Fig. 5 erläutert die rotatorischen Gelenkfreiheitsgrade
der Articulatio Sternoclavicularis in einer schematischen
Darstellung des menschlichen Schlüsselbeinbereichs. Die Ar
ticulatio Sternoclavicularis läßt sich in eine kinematische
Kette aus drei rotatorischen Einzelgelenken zerlegen. Wird
die Orientierung der Gelenkachsen mittels des an der Incisura
Jugularis im Brustkorb verankerten globalen Koordinatensy
stems 100' beschrieben, so verläuft eine erste Gelenkachse
zsc1 von der konvexen Oberfläche des Sattelgelenks fast ver
tikal von kranial-medial nach kaudal-lateral und es gilt für
ihren normierten Richtungsvektor
Fig. 5 illustrates the rotary joint degrees of freedom of articulation sternoclavicularis a schematic representation of the human clavicle region. The ar ticulatio sternoclavicularis can be broken down into a kinematic chain consisting of three individual rotatory joints. If the orientation of the joint axes is described by means of the global coordinate system 100 'anchored to the incisura jugularis in the chest, a first joint axis zsc1 runs almost vertically from the convex surface of the saddle joint from cranial-medial to caudal-lateral and it applies to its normalized one Direction vector
η sc1 = (-0.253, 0.146, 0.956). η sc1 = (-0.253, 0.146, 0.956).
Eine Bewegung um diese Drehachse ermöglicht Flexion und Ex
tension des Schultergürtels. Die zweite Achse zsc2 der konka
ven Oberfläche des Gelenks verläuft horizontal von dorsal-
medial nach frontal-lateral und steht senkrecht auf der Achse
zsc1. Für ihren normierten Richtungsvektor gilt ausgedrückt
in dem an der Incisura Jugularis fest verankerten Koordina
tensystem:
Movement around this axis of rotation allows the shoulder belt to flex and extend. The second axis zsc2 of the concave surface of the joint runs horizontally from dorsal-medial to frontal-lateral and is perpendicular to the axis zsc1. For its standardized direction vector, expressed in the coordinate system firmly anchored to the incisura jugularis:
η sc2 = (0.500, 0.866, 0) η sc2 = (0.500, 0.866, 0)
Diese Gelenkachse ermöglicht die Elevation und Depression des Schultergürtels.This joint axis enables the elevation and depression of the Shoulder girdle.
Der Abstand der beiden Gelenkachsen zsc1 und zsc2 beim Men
schen wird in der Fachwelt kontrovers diskutiert. Eine in
"G. M. Pronk, F. von der Helm, and L. A. Rozendaal, Interaction
between the joints in the shoulder mechanism, Proc. instn.
Mech. Eng., volume 207, London, 1993" beschriebene Simula
tions- und Bewegungsaufteilungsstudie zeigt jedoch, daß ein
Abstand dieser beiden Gelenkachsen nicht ins Gewicht fällt
und sie als sich in einem Punkt Osc schneidend angesehen wer
den können, wobei für den Schnittpunkt gilt:
The distance between the two joint axes zsc1 and zsc2 in humans is controversial among experts. However, a simulation and motion sharing study described in "GM Pronk, F. von der Helm, and LA Rozendaal, Interaction between the joints in the shoulder mechanism, Proc. Instn. Mech. Eng., Volume 207, London, 1993" shows that a distance between these two joint axes is of no importance and that they can be seen as intersecting at a point O sc , where the following applies for the intersection:
h sc1 = h sc2 = (50 mm, -10 mm, 20 mm). h sc1 = h sc2 = (50 mm, -10 mm, 20 mm).
Bei einem durchschnittlichen, ausgewachsenen Menschen schnei
det die dritte rotatorische Gelenkachse zsc3 die beiden ande
ren Gelenkachsen in dem Punkt Osc, wobei für Richtungsvektor
η sc3 und Aufpunkt h sc3 gilt
In the case of an average, fully grown person, the third rotary joint axis zsc3 intersects the other two joint axes at the point O sc , where η sc3 and the point of origin h sc3 apply to the direction vector
η sc3 = (0.828, -0.478, 0.292)
η sc3 = (0.828, -0.478, 0.292)
h sc3 = h sc2. h sc3 = h sc2 .
Die Fig. 6 zeigt den Bereich der Articulatio Acromioclavicu laris in einer im Vergleich zu Fig. 1 vergrößerten Darstel lung. Fig. 6 shows the area of Articulatio Acromioclavicu laris in an enlarged compared to Fig. 1 presen- tation.
Die Articulatio Acromioclavicularis 46 verbindet das Schlüs selbein 44 mit dem Schulterblatt 45. Ihre Gelenkflächen sind leicht konvex. Bei 30% aller Individuen ist ein Diskus Ar ticularis vorhanden, der diese Konvexität ausgleicht. Darüber hinaus ist die Articulatio Acromioclavicularis 46 relativ locker. Eine Bewegung des Gelenks wird nicht so sehr durch die Gelenkform sondern durch drei Bänder geführt. Ein erstes Band (Ligamentum Acromioclaviculare) umschließt und verfe stigt die Gelenkkapsel. Ein zweites Band, (Ligamentum Trape zoideum) setzt einerseits am Processus Coracoideus und ande rerseits an der Vorderseite des Schlüsselbeines an und ver läuft parallel zur Gelenkoberfläche, um so die Scherkräfte des Gelenks aufzunehmen. Ein drittes Band (Ligamentum Conoi deum) verbindet den Processus Coracoideus mit der Rückseite des Schlüsselbeins, wodurch die Beweglichkeit des Schulter blatts zum Schlüsselbein stark eingeschränkt wird. The articulatio acromioclavicularis 46 connects the clavicle 44 to the shoulder blade 45 . Their articular surfaces are slightly convex. A discus ar ticularis is present in 30% of all individuals, which compensates for this convexity. In addition, the Articulatio Acromioclavicularis 46 is relatively loose. Movement of the joint is not so much guided by the shape of the joint but by three bands. A first band (ligamentum acromioclaviculare) encloses and strengthens the joint capsule. A second band, (Ligamentum Trape zoideum) attaches on the one hand to the Processus Coracoideus and on the other hand to the front of the clavicle and runs parallel to the surface of the joint in order to absorb the shear forces of the joint. A third band (Ligamentum Conoi deum) connects the coracoid process to the back of the clavicle, which severely limits the mobility of the shoulder blade to the clavicle.
Weil darüber hinaus die Articulatio Acromioclavicularis 46 von Individuum zu Individuum sehr unterschiedlich ausgebildet ist, läßt sich über die Gelenkanatomie allein kein exakt festgelegtes Gelenk-Rotationszentrum bestimmen. Die in "F. von der Helm, Analysis of the kinematic and dynamic behaviour of the shoulder mechanism, Journal of Biomechanics, 27(5), 1993" beschriebenen Untersuchungen haben gezeigt, daß der Mittelpunkt Oac jedes Gelenks vereinfachend als Rotationszen trum angesehen werden kann. Für eine technische Realisierung der drei Freiheitsgrade der Articulatio Acromioclavicularis sind damit drei einzelne Rotationsgelenke erforderlich, deren Gelenkachsen sich in einem Rotationszentrum Oac schneiden.In addition, because the articulation Acromioclavicularis 46 is designed very differently from individual to individual, it is not possible to determine a precisely defined center of rotation of the joint by means of the joint anatomy alone. The investigations described in "F. von der Helm, Analysis of the kinematic and dynamic behavior of the shoulder mechanism, Journal of Biomechanics, 27 (5), 1993" have shown that the center point O ac of each joint is viewed as a center of rotation for simplicity can. For a technical realization of the three degrees of freedom of the Articulatio Acromioclavicularis, three individual rotary joints are required, the joint axes of which intersect in a rotation center O ac .
Beim Menschen steht das Schulterblatt ungefähr senkrecht auf
dem Schlüsselbein und die Schlüsselbeinachse fungiert als
Drehachse für das Schulterblatt. Damit ist diese Gelenkachse
der Articulatio Acromioclavicularis 46 identisch mit der
zsc3-Achse der Articulatio Sternoclavicularis 43. In dem an
der Incisura Jugularis 47 verankerten Koordinatensystem 100'
aus Fig. 4 gilt für Aufpunkt h ac1 und Richtungsvektor η ac1 der
Drehachse zac1 der Articulatio Acromioclavicularis:
In humans, the shoulder blade is approximately perpendicular to the clavicle and the clavicle axis acts as the axis of rotation for the shoulder blade. This axis of articulation of the Acromioclavicularis 46 is thus identical to the zsc3 axis of the Articulatio Sternoclavicularis 43 . In the coordinate system 100 'anchored to the incisura jugularis 47 from FIG. 4, the following applies to the starting point h ac1 and the direction vector η ac1 of the axis of rotation zac1 of the articulation Acromioclavicularis:
η ac1 = (-0.560, -0.705, 0.434),
η ac1 = (-0.560, -0.705, 0.434),
h ac1 = (165 mm, -96 mm, 58 mm),
h ac1 = (165 mm, -96 mm, 58 mm),
und für Aufpunkt h ac2 und normierten Richtungsvektor η ac2 der
Achse zac2 der Articulatio Acromioclavicularis:
and for point h ac2 and normalized direction vector η ac2 of the axis zac2 of the articulation Acromioclavicularis:
η ac2 = (0.257, 0.350, 0.901),
η ac2 = (0.257, 0.350, 0.901),
h ac2 = h ac1. h ac2 = h ac1 .
Als drittes Gelenk im Schulterblattbereich schließt schließ lich, wie bereits oben erwähnt, die Articulatio Thoracoscapu laris die kinematische Kette des Schultergürtels. In der Re gel ruht das Schulterblatt großflächig auf dem Brustkorb und es ist nur in Extremsituationen ein leichtes Abheben von die sem möglich. Auf der Wand des Brustkorbes kann das Schulter blatt in horizontaler und vertikaler Richtung gleiten und sich auf dem Brustkorb drehen. Die Bedeutung der Articulatio Thoracoscapularis liegt jedoch nicht in ihrer Kinematik son dern darin, daß sie eine großflächige Kraftübertragung zwi schen Arm und Brustkorb ermöglicht.The third joint in the shoulder blade area closes Lich, as already mentioned above, the Articulatio Thoracoscapu laris the kinematic chain of the shoulder girdle. In the Re The shoulder blade rests on the chest and it is only a slight lift off in extreme situations possible. The shoulder can be on the wall of the rib cage slide in horizontal and vertical direction and turn on the chest. The importance of articulation However, Thoracoscapularis is not in their kinematics son in that they have a large power transmission between arm and chest.
Die Fig. 7 zeigt nun eine Gelenkeinheit 70, die sich prinzi piell zum Einsatz in einem Roboterarm eignet und einem menschlichen Schultergürtelgelenk nachgebildet ist. An einer Trägerstruktur 71 ist um eine Rotationsachse zsc1 ein Trä gerarm 72 angelenkt, der an einem Ende um Rotationsachsen zsc2 und zsc3 schwenkbeweglich gelagert ist, um so die menschliche Articulatios Sternoclavicularis nachzubilden. Aufpunkt und Orientierung dieser Rotationsachsen zsc1, zsc2 und zsc3 entsprechen dabei den zugehörigen Achsen beim Men schen, die anhand der Fig. 5 beschrieben wurden. Fig. 7 shows a joint unit 70 , which is principally suitable for use in a robot arm and is modeled on a human shoulder girdle joint. A support arm 72 is articulated on a support structure 71 about an axis of rotation zsc1 and is pivotally mounted at one end about axes of rotation zsc2 and zsc3 in order to simulate the human articulation Sternoclavicularis. The point and orientation of these axes of rotation zsc1, zsc2 and zsc3 correspond to the associated axes in humans, which have been described with reference to FIG. 5.
Am anderen Ende des Trägerarmes 72 ist eine Gelenkeinheit mit Rotationsachsen zac1 und zac2 angeordnet, um den Trägerarm 72 mit einer den Abmessungen des Schulterblattes entsprechenden dreiecksförmigen Trägerstruktur 73 zu verbinden, die den cha rakteristischen Punkten am Schulterplatt entsprechende Punk ten Oac, Oai und Ots aufweist. Damit entspricht diese Gelenk einheit der menschlichen Articulatio Acromioclavicularis, de ren Zerlegung in rotatorische Gelenkachsen anhand der Fig. 6 erläutert wurde. Dagegen ist keine der menschlichen Articula tio Thoracoscapularis entsprechende Gelenkeinheit vorgesehen, da dieser ja, wie oben angeführt, keine kinematische Bedeu tung zukommt. Auf den Dimensionen dieser Gelenkeinheit 70 be ruhen nunmehr die Abmessungen der Gelenkeinheit des in der Fig. 1 dargestellten Roboterarmes 1, die dem menschlichen Schultergürtelgelenk entspricht.At the other end of the support arm 72 , a joint unit with axes of rotation zac1 and zac2 is arranged in order to connect the support arm 72 to a triangular support structure 73 which corresponds to the dimensions of the shoulder blade and which corresponds to the characteristic points on the shoulder plate, points O ac , O ai and O ts . This joint unit thus corresponds to the human articulation Acromioclavicularis, whose disassembly into rotational joint axes was explained with reference to FIG. 6. On the other hand, no joint unit corresponding to the human thoracoscapular articula is provided, since, as mentioned above, this is of no kinematic importance. On the dimensions of this joint unit 70 now be based on the dimensions of the joint unit of the robot arm 1 shown in FIG. 1 , which corresponds to the human shoulder girdle joint.
Um aufzuzeigen, wie sich die dem menschlichen Schultergürtel entsprechende Gelenkeinheit im Roboterarm 1 aus der in der Fig. 7 dargestellten Gelenkeinheit 70 ableitet ist in der Fig. 8 nochmals die dem menschlichen Schultergürtelgelenk entsprechende Gelenkeinheit des Roboterarmes dargestellt. Die in der Fig. 8 gezeigte Gelenkeinheit 80 besteht aus drei Dreiecks-Gliedern 81, 82 und 83, die von einer Trägerstruktur 47 gehalten werden und hat somit drei Gelenkfreiheitsgrade. Die Dreiecksstruktur der ersten beiden Glieder erhöht dabei einerseits die Steifigkeit der Gelenkanordnung, andererseits ermöglicht sie auch, daß aufgrund der doppelten Aufhängung die Lager an den jeweiligen Drehachsen momentfrei gehalten werden. Das Gewicht eines Armes 85 kann somit auf dem Drei ecksglied 81 ruhen, ohne daß dabei nicht weiter dargestellte Antriebe belastet werden. Dem Dreiecksglied 83, das an dem Arm 85 schwenkbeweglich befestigt ist, kommt dabei die funk tionale Bedeutung des menschlichen Schulterblattes 45 aus der Fig. 4 zu.In order to show how the joint unit in the robot arm 1 corresponding to the human shoulder belt is derived from the joint unit 70 shown in FIG. 7, the joint unit of the robot arm corresponding to the human shoulder belt joint is shown again in FIG . The joint unit 80 shown in FIG. 8 consists of three triangular members 81 , 82 and 83 which are held by a support structure 47 and thus has three joint degrees of freedom. The triangular structure of the first two links increases the rigidity of the joint arrangement on the one hand, and on the other hand it also enables the bearings on the respective axes of rotation to be kept free of torque due to the double suspension. The weight of an arm 85 can thus rest on the three corner member 81 without the drives not shown being loaded. The triangular member 83 , which is pivotally attached to the arm 85 , the functional importance of the human shoulder blade 45 comes from FIG. 4.
Die Gelenkeinheit 80 leitet sich aus der in der Fig. 7 darge stellten Gelenkeinheit 70 ab, indem dort ein der menschlichen Articulatio Acromioclavicularis entsprechendes Gelenk beim Punkt Oac ausgebildet wird. Im Unterschied zur Gelenkeinheit 70 aus Fig. 7 hat damit die Gelenkeinheit 80 nur drei Gelenk freiheitsgrade. Weiter ist die Rotationsachse zsc1, entspre chend der die Schultergürtelgelenkeinheit an der Trägerstruk tur angelenkt ist, in die Senkrechte zur Achse zts1 gekippt. Die Achse zsc3 aus Fig. 7 entspricht der Achse zts2, die vom Ursprung des Bezugssystems 100 aus Fig. 1 zum Punkt Oai ver läuft. Der Achse zac2 aus Fig. 7 entspricht in Fig. 8 die Achse zts3, die vom Punkt Oai über den Punkt Oac gelegt ist. Aufpunkt und Richtungsvektoren der Drehachse zts1, zts2 und zts3 wurden bereits anhand der Beschreibung von Fig. 1 genau angegeben.The joint unit 80 is derived from the joint unit 70 shown in FIG. 7 by forming a joint corresponding to the human articulation Acromioclavicularis at point O ac . In contrast to the joint unit 70 from FIG. 7, the joint unit 80 thus has only three joint degrees of freedom. Furthermore, the axis of rotation zsc1, according to which the shoulder girdle joint unit is articulated on the support structure, is tilted into the perpendicular to the axis zts1. The axis zsc3 from FIG. 7 corresponds to the axis zts2, which runs from the origin of the reference system 100 from FIG. 1 to the point O ai ver. The axis zac2 from FIG. 7 corresponds to the axis zts3 in FIG. 8, which is located from point O ai over point O ac . The point and direction vectors of the axis of rotation zts1, zts2 and zts3 have already been specified with reference to the description of FIG. 1.
Die so auf einem menschlichen Schultergürtelgelenk basierende Roboter-Gelenkeinheit stellt einen Kompromiß zwischen Stabi litäts- und Kinematikeigenschaften dar. Eine mögliche Verein fachung dieser Gelenkeinheit kann beispielsweise in einer Vernachlässigung bzw. Versteifung des Gelenks mit der Gelenk achse zts3 bestehen. So ist es möglich, einen einfacheren und stabileren Mechanismus bereitzustellen.The one based on a human shoulder girdle Robot joint unit represents a compromise between stabilizers properties and kinematics. A possible association fold this joint unit can for example in a Neglect or stiffening of the joint with the joint axis zts3 exist. So it is possible a simpler and provide more stable mechanism.
Wird das einem menschlichen Schulterblatt entsprechende Drei ecksglied in einer Referenzstellung positioniert, so nehmen die Koordinaten der Punkte bezüglich dem in der Fig. 1 darge stellten Koordinatensystem 100 die entsprechenden Koordinaten der Ortsvektoren der charakteristischen Punkte des menschli chen Schulterblattes im an der Incisura Jugularis verankerten Koordinatensystem 100' aus Fig. 4 an.If the triangular member corresponding to a human shoulder blade is positioned in a reference position, the coordinates of the points with respect to the coordinate system 100 shown in FIG. 1 take the corresponding coordinates of the location vectors of the characteristic points of the human shoulder blade in the coordinate system 100 anchored to the incisura jugularis 'from Fig. 4.
Weiter ist der Fig. 4 zu entnehmen, wie das Schultergelenk 48 das Schulterblatt 45 und den Oberarm 49 miteinander verbin det. Das Schultergelenk 48 ermöglicht eine hohe Beweglichkeit des menschlichen Armes und ergänzt darin das Schultergürtel gelenk.Further, the Fig. 4 it can be seen how the shoulder joint 48, the scapula 45 and the humerus 49 det verbin each other. The shoulder joint 48 enables a high mobility of the human arm and complements the shoulder girdle therein.
Die Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung des menschli chen Schultergelenks (Articulatio humeri). Das Schultergelenk 90 umfaßt einen am Humerus 91 ausgebildeten Gelenkkopf 94, der in eine konkave Gelenkpfanne 92 des Schulterblattes 93 paßt. Damit ist das Schultergelenk ein sphärisches Gelenk mit drei Freiheitsgraden. Bei einem durchschnittlichen, ausge wachsenen Menschen befindet sich das Zentrum des Schulterge lenks 90 am oberen Teil der lateralen Schulterblattkante (Oac, Oai) ungefähr 2 cm vor der Schulterblattebene (Oac, Oai, Ots). Eine genauere Untersuchung des Gelenkkopfes 94 am Hume rus 91 zeigt, daß die Gelenkfläche ungefähr ein Drittel der Oberfläche der Gelenkkugel bedeckt. Beim durchschnittlichen Menschen liegt der Durchmesser dieser Kugel in der Größenord nung von 25 mm bis 30 mm. Die Orientierung der Gelenkfläche ist der Fig. 9 zu entnehmen. In Referenzstellung ist der vertika le Durchmesser der Gelenkfläche um etwa 3 mm bis 4 mm größer als der horizontal-frontale Durchmesser. Die Flächenkrümmung nimmt also nach oben hin zu, was bei Abduktionsbewegungen des Humerus dazu führt, daß das Rotationszentrum leicht nach me dial rückt. Röntgenuntersuchungen haben gezeigt, daß die Ro tationszentren für Ante-Retroversion sowie für die Außen- und Innenrotation des Armes zusammenfallen. Demgegenüber lassen sich für die Abduktion des menschlichen Armes zwei Phasen mit leicht unterschiedlichen Rotationszentren ermitteln. Diese Unterschiede sind jedoch nur geringfügig und weiter ohne Ein fluß auf ein Gesamtmodell des menschlichen Armes. Aus diesem Grund wird ein einziges Rotationszentrum für das menschliche Schultergelenk angenommen. Fig. 9 shows a schematic representation of the human shoulder joint (Articulatio humeri). The shoulder joint 90 comprises a joint head 94 formed on the humerus 91 , which fits into a concave joint socket 92 of the shoulder blade 93 . This makes the shoulder joint a spherical joint with three degrees of freedom. In an average, fully grown human, the center of the shoulder joint 90 is located at the upper part of the lateral shoulder blade edge (O ac , O ai ) approximately 2 cm in front of the shoulder blade plane (O ac , O ai , O ts ). A closer examination of the joint head 94 on the humerus 91 shows that the joint surface covers approximately one third of the surface of the joint ball. In the average person, the diameter of this sphere is in the order of 25 mm to 30 mm. The orientation of the articular surface can be seen in FIG. 9. In the reference position, the vertical diameter of the articular surface is about 3 mm to 4 mm larger than the horizontal-frontal diameter. The surface curvature thus increases upwards, which leads to abduction movements of the humerus that the center of rotation moves slightly towards me dial. X-ray studies have shown that the rotation centers for ante-retroversion and for the external and internal rotation of the arm coincide. In contrast, two phases with slightly different rotation centers can be determined for abduction of the human arm. However, these differences are only minor and continue to have no influence on an overall model of the human arm. For this reason, a single center of rotation is assumed for the human shoulder joint.
Gegenstück des Humerus-Kopfes 94 ist die Gelenkpfanne 92. Die
Oberfläche der Gelenkpfanne 92 ist etwa drei- bis viermal
kleiner als die Oberfläche des Humerus-Kopfes 94. Sie ist
nach lateral-ventral und leicht nach kranial ausgerichtet.
Die beste Oberflächenkongruenz zwischen der Gelenkpfanne und
dem Humerus-Kopf wird bei ca. 90° Abduktion erreicht. Eine
Lippe begrenzt die Gelenkfläche. Nach oben wird das Gelenk
durch nicht weiter dargestellte Schleimbeutel ergänzt. Diese
ermöglichen die Bewegung des Humerus-Kopfes 94 relativ zu den
Muskeln des Schulterblatts 93, der das Gelenk überdacht. Für
ein durchschnittliches Individuum läßt sich bei Referenzstel
lung des Schultergürtels bezüglich dem an der Incisura Jugu
laris verankerten Koordinatensystem folgender Ortsvektor für
das Rotationszentrum des Schultergelenks angeben:
The counterpart of the humeral head 94 is the joint socket 92 . The surface of the socket 92 is approximately three to four times smaller than the surface of the humeral head 94 . It is oriented laterally-ventrally and slightly cranially. The best surface congruence between the socket and the humeral head is achieved with an abduction of approx. 90 °. A lip delimits the articular surface. At the top, the joint is supplemented by bursa not shown. These allow the movement of the humeral head 94 relative to the muscles of the shoulder blade 93 , which covers the joint. For an average individual, the following position vector for the center of rotation of the shoulder joint can be specified for the shoulder girdle with reference to the coordinate system anchored to the incisura jugularis:
h'sh = (178 mm, -69 mm, 18 mm). h ' sh = (178 mm, -69 mm, 18 mm).
Somit entspricht das Rotationszentrum Osh der dem menschli chen Schulterblatt entsprechenden Gelenkeinheit 12 aus Fig. 1 dem Rotationszentrum beim natürlichen Schultergelenk, wie sich aus einem Vergleich der Ortsvektoren der Punkte Osh in dem Roboterarmaus Fig. 1 und O'sh für einen natürlichen Arm ergibt. Weil aus technischer Sicht Kugelgelenke insbesondere im Blick auf das Schmierverhalten schwerwiegende Nachteile haben, ist die Gelenkeinheit 12 aus Fig. 1 in eine kinemati sche Kette aus drei einzelnen Rotationsgelenken zerlegt. Drei Gelenkfreiheitsgrade können dabei durch eine beliebige Anord nung der Gelenkachsen erzielt werden, soweit diese nicht ko linear angeordnet sind. Die dem menschlichen Schultergelenk entsprechende Gelenkeinheit 12 in dem Roboterarm 1 aus Fig. 1 ermöglicht es, den dynamischen Eigenschaften des menschlichen Armes sehr nahe zu kommen und hat darüber hinaus Bewegungs grenzen, die denjenigen des menschlichen Armes entsprechen. Eine Analyse der Arbeitsraumdichte dieser als Roll-Pitch-Yaw- Gelenk ausgebildeten Gelenkeinheit zeigt eine gute Überstim mung mit derjenigen des menschlichen Schultergelenks.The rotation center Osh of the joint unit 12 from FIG. 1 corresponding to the human shoulder blade corresponds to the rotation center at the natural shoulder joint, as can be seen from a comparison of the location vectors of the points O sh in the robot arm from FIG. 1 and O ' sh for a natural arm. Because, from a technical point of view, ball joints have serious disadvantages, particularly with regard to the lubrication behavior, the joint unit 12 from FIG. 1 is broken down into a kinematic chain consisting of three individual rotary joints. Three degrees of joint freedom can be achieved by any arrangement of the joint axes, provided that these are not arranged in a linear manner. The joint unit 12 corresponding to the human shoulder joint in the robot arm 1 from FIG. 1 makes it possible to come very close to the dynamic properties of the human arm and also has movement limits which correspond to those of the human arm. An analysis of the working space density of this joint unit, which is designed as a roll-pitch-yaw joint, shows good agreement with that of the human shoulder joint.
Durch das in der Fig. 4 gezeigte Ellenbogengelenk 50 sind Oberarmknochen 49 und Unterarm mit Elle 51 und Speiche 52 verbunden. Das Ellenbogengelenk 50 hat zwei Gelenkfreiheits grade, die das Beugen und Ausstrecken des Armes ermöglichen und Innen- und Außenrotationen des Unterarms umfassen. Beide Bewegungen können unabhängig voneinander durchgeführt werden. Wird eine Ellenbogen-Gelenkeinheit für einen Roboterarm ent sprechend der Fig. 1 ausgeführt, so lassen sich damit Bewe gungen ausführen, die im Einklang mit etwa in "Y. Youm, R. Dryer, T. Thambyrajah, A. Flatt, and B. Sprague, Biomechani cal analysis of forearm pronation-supination and elbow flexi on-extension, Journal of Biomechanics, 1979" und "R. V. Gonza lez, E. L. Hutchins, R. E. Barr, and L. D. Abraham, Development and evaluation of a musculoskeletal model of the elbow joint complex, Journal of Biomechanical Engineering, 1996" be schriebenen Bewegungsuntersuchungen stehen. Aus kinematischer Sicht ist demnach die Ellenbogen-Gelenkeinheit des Roboterar mes aus Fig. 1 mit den Gelenkachsen zhu und zru mit einem menschlichen Ellenbogengelenk identisch.The elbow joint 50 shown in FIG. 4 connects the upper arm bone 49 and forearm to the ulna 51 and spoke 52 . The elbow joint 50 has two degrees of joint freedom that allow the arm to bend and extend and include internal and external rotations of the forearm. Both movements can be carried out independently of one another. If an elbow joint unit for a robotic arm is designed in accordance with FIG. 1, then movements can be carried out which are in accordance with, for example, in "Y. Youm, R. Dryer, T. Thambyrajah, A. Flatt, and B. Sprague, Biomechani cal analysis of forearm pronation-supination and elbow flexi on-extension, Journal of Biomechanics, 1979 "and" RV Gonza lez, EL Hutchins, RE Barr, and LD Abraham, Development and evaluation of a musculoskeletal model of the elbow joint complex, Journal of Biomechanical Engineering, 1996 "movement examinations. From a kinematic point of view, the elbow joint unit of the robot arm from FIG. 1 with the joint axes zhu and zru is identical to a human elbow joint.
Der in der Fig. 4 dargestellte Ausschnitt eines menschlichen Skelettes umfaßt auch ein Handgelenk 53, das aus einem Hand wurzelknochenblock besteht, der mit der Speiche 52 verbunden ist. Das Handgelenk ermöglicht eine Flexions- und Extensions bewegung der Hand zu Innen- bzw. Außenseite des Unterarms und weiter eine radiale und ulnare Abduktionsbewegung, d. h. eine Bewegung der Hand in Richtung von Speiche und Elle. The section of a human skeleton shown in Fig. 4 also includes a wrist 53 , which consists of a hand root bone block, which is connected to the spoke 52 . The wrist allows a flexion and extension movement of the hand to the inside or outside of the forearm and further a radial and ulnar abduction movement, ie a movement of the hand in the direction of the spoke and ulna.
Im Gegensatz zu allen anderen Gelenken des Arms sind im Hand gelenk jedoch nicht nur zwei sondern eine ganze Ansammlung von Knochen an den Bewegungen beteiligt. Anatomisch läßt sich jedoch das Handgelenk in zwei Untergelenke unterteilen, die Articulatio Radiocarpea und die Articulatio Mediocarpea.In contrast to all other joints of the arm are in the hand but not just two, but a whole assembly of bones involved in the movements. Anatomically leaves but divide the wrist into two lower joints, the Articulatio Radiocarpea and the Articulatio Mediocarpea.
Zwar entspricht die Knochenstruktur des Handgelenks im Ansatz diesen zwei voneinander unabhängige Untergelenken, jedoch sind die Bewegungen aller Handwurzelknochen stark miteinander gekoppelt. Ein Netzwerk aus Bändern verbindet die einzelnen Knochen, so daß sich das Handgelenk ähnlich einer mit Steinen gefüllten Tasche verhält. Die Beweglichkeit der einzelnen Knochen im Bezug auf die Nebenknochen ist dabei stark einge schränkt.The bone structure of the wrist corresponds to the base these two mutually independent lower joints, however the movements of all carpal bones are strong with each other coupled. A network of bands connects the individual Bones so that the wrist resembles one with stones filled bag behaves. The agility of the individual Bone in relation to the secondary bones is strongly contracted limits.
Für die zwei Bewegungsachsen des Handgelenks ergeben sich insgesamt vier kinematische Freiheitsgrade. Eine Bewegung der Hand wird jedoch dadurch stark eingeschränkt, daß ein Netz werk von Bändern die einzelnen Handwurzelknochen miteinander verbindet. Untersuchungen zeigen, daß bei schwachen Auslen kungen des Handgelenks zunächst nur eine Bewegung in der Ar ticulatio Radiocarpea stattfindet. Bei mittleren Auslenkungen wird die Bewegung dann auf beide Gelenke ungefähr gleich auf geteilt und erst bei extremen Auslenkungen bewegt sich nur noch die Articulatio Mediocarpea.For the two axes of movement of the wrist arise a total of four kinematic degrees of freedom. A movement of the However, hand is severely restricted by the fact that a network the individual carpal bones with each other connects. Studies show that with weak deflections movements of the wrist initially only one movement in the ar ticulatio Radiocarpea takes place. With medium deflections the movement will then be approximately the same on both joints divided and only moves with extreme deflections still the Articulatio Mediocarpea.
Wird das menschliche Handgelenk nunmehr in zwei rotatorische Einzelgelenke zerlegt, so besteht die Schwierigkeit, daß auf grund von faßförmigen Gelenkflächen des menschlichen Handge lenks, wie bei einer rotatorischen Handbewegung um die Ar ticulatio Mediocarpea, die Stellung der zur Articulatio Ra diocarpea gehörenden Achse bezüglich dem Unterarm unveränder lich ist. Dies läßt sich nicht mit einer kinematischen Kette aus zwei Rotationsgelenken modellieren. Eine weitere Schwie rigkeit besteht darin, daß die Gelenkachsen bei der natürli chen menschlichen Hand dicht beieinanderliegen. Aus Gründen einer technischen Realisierung ist daher die im menschlichen Handgelenk entsprechende Gelenkeinheit mit den Gelenkachsen zrc1 und zrc2 aus Fig. 1 eben nur mit zwei Gelenkachsen aus geführt. Diese beiden Gelenkachsen entsprechen weitestgehend den funktionellen Achsen des menschlichen Handgelenks. Dabei zeigt sich, daß ein Vergleich der Verläufe der Gelenkvaria blen im Konfigurationsraum für die rotatorischen Bewegungen an den Achsen zrc1 und zrc2 hervorragend mit Bewegungsbahnen übereinstimmen, die an physiologischen Ersatzgelenken ermit telt wurden. Demnach gibt die Gelenkeinheit mit den Gelenk achsen zrc1 und zrc2 aus Fig. 1 die funktionelle Bewegung des natürlichen Handgelenk-Vorbilds sehr gut wieder.If the human wrist is now broken down into two rotary individual joints, there is the difficulty that, due to the barrel-shaped articular surfaces of the human wrist, as in the case of a rotary hand movement around the Ar ticulatio Mediocarpea, the position of the axis belonging to the Articulatio Ra diocarpea with respect to the forearm is unchangeable. This cannot be modeled with a kinematic chain consisting of two rotating joints. Another difficulty is that the joint axes in natural human hands are close together. For technical implementation reasons, the joint unit in the human wrist with the joint axes zrc1 and zrc2 from FIG. 1 is therefore only designed with two joint axes. These two joint axes largely correspond to the functional axes of the human wrist. It can be seen that a comparison of the courses of the joint variables in the configuration space for the rotational movements on the axes zrc1 and zrc2 agree perfectly with trajectories that were determined on physiological replacement joints. Accordingly, the joint unit with the joint axes zrc1 and zrc2 from FIG. 1 very well reproduces the functional movement of the natural wrist model.
Es sei bemerkt, daß sich zum Antrieb der Handgelenk-Einheiten grundsätzlich unterschiedliche Konzepte anbieten. Zum einen ist denkbar, Antriebe vorzusehen, bei denen Motoren direkt auf die Gelenkachse wirken. Bei diesem Antriebskonzept ist das Handgelenk leichter Steuerbar, nimmt aber dafür mehr Platz ein. Außerdem führt dies zu einem relativ schweren Handgelenk, da Motoren und Getriebe im Handgelenk plaziert werden müssen. Indirekte Motoren wirken dagegen wie künstli che Muskeln. Sie können, wie beim Menschen, im Unterarm in der Nähe des Ellenbogens untergebracht werden. Ihr Nachteil liegt darin, daß solche Antriebe Stahlzüge oder Steuergestän ge erfordern. Dieser Nachteil wird jedoch durch die Vorteile einer günstigeren Masseverteilung und der Möglichkeit eines konstruktiv einfacher ausgelegten Handgelenks aufgewogen.It should be noted that the wrist units drive offer fundamentally different concepts. On the one hand it is conceivable to provide drives in which motors are direct act on the joint axis. With this drive concept is the wrist is easier to control, but takes more Place one. It also leads to a relatively difficult one Wrist because motors and gears are placed in the wrist Need to become. Indirect motors, on the other hand, look like artificial che muscles. You can, like in humans, in the forearm close to the elbow. Your disadvantage is that such drives steel cables or control linkage ge require. However, this disadvantage is compounded by the advantages a cheaper mass distribution and the possibility of one weighed constructively simpler wrist.
Die Fig. 10 zeigt, wie typischerweise von einer menschlichen Hand ein stabförmiger Werkzeuggriff umgriffen wird. Dabei bilden Daumen und Zeigefinger einen überlappenden Ring und der stabförmige Werkzeuggriff liegt auf der Handinnenfläche, die mit Mittelfinger, Ringfinger und kleinem Finger einen Halbzylinder mit einer Achse ztcp' formt. In einer Referenz stellung des menschlichen Armes, in der die der Articulatio Radiocarpea entsprechende Achse um 6° aus der Horizontalen geneigt ist und die Achse der Articulatio Mediocarpea zur Senkrechten in Richtung des Unterarmes um 20° geneigt ist, verläuft die Achse ztcp' ungefähr horizontal und schließt mit der Längsachse des Unterarms einen Winkel von δ = 60° ein. Wird ein Werkzeuggriff auf diese Weise gehalten, so können hohe Kräfte übertragen werden und dennoch ist eine gute Fein steuerung möglich. Fig. 10 shows a rod-shaped tool handle is gripped as typified by a human hand. The thumb and index finger form an overlapping ring and the rod-shaped tool handle lies on the palm of the hand, which forms a half cylinder with an axis ztcp 'with the middle finger, ring finger and little finger. In a reference position of the human arm, in which the axis corresponding to the articulatio radiocarpea is inclined 6 ° from the horizontal and the axis of the articulatio mediocarpea is inclined to the vertical in the direction of the forearm by 20 °, the axis ztcp 'is approximately horizontal and forms an angle of δ = 60 ° with the longitudinal axis of the forearm. If a tool handle is held in this way, high forces can be transmitted and still good fine control is possible.
Der am Ende des in der Fig. 1 dargestellten Roboterarmes aus gebildete Griffteil 23 ist an der einem menschlichen Handge lenk entsprechenden Gelenkeinheit des Roboterarmes so posi tioniert, daß er dem in Fig. 10 dargestellten typischen Werk zeuggriff des Menschen entspricht, wobei der Griff durch ei nen Halbzylinder mit Ring modelliert ist, dessen Achse ztcp in einer Referenzstellung genau dem Verlauf der Achse ztcp' beim Menschen entspricht.The at the end of the robot arm shown in FIG. 1 formed from grip part 23 is positioned on the joint unit of the robot arm corresponding to a human wrist so that it corresponds to the typical tool handle of man shown in FIG. 10, the handle being by egg NEN half cylinder with ring is modeled, whose axis ztcp corresponds exactly to the course of the axis ztcp 'in humans in a reference position.
Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Manipulators ist als Roboter-Manipulator, als Demonstrator im Bereich der Biomechanik, als Kinematikmodell zur Visualisierung menschli cher Armbewegungen und als Prothese im Bereich der Medizin sowie zur Animation von Personen im Computerbereich, insbe sondere in Computerspielen, vorgesehen.A preferred use of the manipulator according to the invention is a robot manipulator, a demonstrator in the field of Biomechanics, as a kinematics model for the visualization of human arm movements and as a prosthesis in the field of medicine as well as animation of people in the computer area, esp especially in computer games.
Claims (16)
h ac = (165 mm, -96 mm, 58 mm)
h ts = (86 mm, -163 mm, 0 mm)
h ai = (119 mm, -160 mm, -109 mm).7. Manipulator according to one of the preceding claims, characterized in that the geometries of the limbs and the position of the axes of rotation on the basis of a reference position of a shoulder belt of an adult human, starting from a global coordinate system anchored to the incisura jugularis of the chest (x, y, z; xij, yij, zij) are defined, with the following characteristic bone points defining the reference position, namely a center (O ac ) of the articulation Acromioclavicularis and two corner points (O ts , O ai ) of the shoulder blade, namely Trigonum Spinae and Angulus Inferior are selected, which are defined in relation to the global coordinate system by the following points with a length tolerance of ± 20% and a relative angle tolerance of ± 10 °:
h ac = (165 mm, -96 mm, 58 mm)
h ts = (86 mm, -163 mm, 0 mm)
h ai = (119 mm, -160 mm, -109 mm).
erste Rotationsachse: η ts1 = (0, 0, 1) h ts1 = (0, 0, 0)
zweite Rotationsachse: η ts2 = (0.524, -0.704, -0.480) h ts2 = (0, 0, 0)
dritte Rotationsachse: η ts3 = (0.251, 0.343, 0.905) h ts3 = (119, -160, -109),
jeweils in mm.8. Manipulator according to claim 7, characterized in that a joint section is matched to the human shoulder girdle and comprises a first support structure ( 2 ) with a first axis of rotation (zts1), on which a second carrier structure ( 4 ) with a second axis of rotation (zts2 ) is steered, on which a third support structure ( 10 ) with a third axis of rotation (zts3) is pivotally attached, with respect to a fixed on the first support structure ( 2 ) coordinate system for orientations ( η tsi ) and point of incidence ( h tsi ) respective axes of rotation (zts1, zts2, zts3) in a reference position up to a relative length tolerance of ± 20% and a relative angle tolerance of ± 10 °:
first axis of rotation: η ts1 = (0, 0, 1) h ts1 = (0, 0, 0)
second axis of rotation: η ts2 = (0.524, -0.704, -0.480) h ts2 = (0, 0, 0)
third axis of rotation: η ts3 = (0.251, 0.343, 0.905) h ts3 = (119, -160, -109),
each in mm.
erste Rotationsachse: η sh1(-0.730, -0.584, -0.355)
zweite Rotationsachse: η sh2(-0.271, -0.218, 0.937)
dritte Rotationsachse: η sh3(-0.826, 0.780, 0),
jeweils in mm.10. Manipulator according to claim 9, characterized in that the orientations ( η shi (i = 1, 2, 3)) of the axes of rotation (zsh1, zsh2, zsh3) to a relative length tolerance of ± 20% and a relative angle tolerance of ± 10 ° are defined as follows:
first axis of rotation: η sh1 (-0.730, -0.584, -0.355)
second axis of rotation: η sh2 (-0.271, -0.218, 0.937)
third axis of rotation: η sh3 (-0.826, 0.780, 0),
each in mm.
Aufpunkt h ru = (221,0, -59,1, -320,3),
jeweils in mm.12. Manipulator according to claim 11, characterized in that the axes of rotation (zhu and zru) intersect in the center of the capitu lum humeri of the elbow, the center with reference position based on the global coordinate system with a length tolerance of ± 20% and an angular tolerance of ± 10 ° is defined as follows:
Point h ru = (221.0, -59.1, -320.3),
each in mm.
erste Rotationsachse η hu = (0.988, 0, 0.156)
Aufpunkt erste Rotationsachse h hu = (178, -59, -327)
zweite Rotationsachse η ru = (-0.004, 0.999.0)
Aufpunkt zweite Rotationsachse h ru = (221.0, -59.1, -320.3),
jeweils in mm.13. Manipulator according to claim 11 or 12, characterized in that a first (zhu) and a second (zru) Rotati onsachse, on which a forearm part ( 16 , 18 ) with the function of a cubit ( 51 ) and with the function of a Spoke ( 52 ) is articulated, are provided, with respect to the global coordinate system ( 100 ) for the orientations ( η hu , η ru ) and their points ( h hu , h ru ) up to a relative length tolerance of ± 20% and a relative angular tolerance of ± 10 ° applies:
first axis of rotation η hu = (0.988, 0, 0.156)
Starting point of the first axis of rotation h hu = (178, -59, -327)
second axis of rotation η ru = (-0.004, 0.999.0)
Point of the second axis of rotation h ru = (221.0, -59.1, -320.3),
each in mm.
erste Rotationsachse η rc1 = (0.966, 0.003, 0.259)
Aufpunkt erste Rotationsachse h rc1 = (223, 237, -332)
zweite Rotationsachse η rc2 = (-0.251, -0.226, 0.941)
Aufpunkt zweite Rotationsachse h rc2 = (244, 256, -322),
jeweils in mm. 14. Manipulator according to one of the preceding claims, characterized in that a joint section is matched to the human wrist ( 53 ) and comprises a first (zrc1) and a second (zrc2) axis of rotation, with respect to the global coordinate system ( 100 ) for the ori entations ( η rci ) and the points ( h rci (i = 1, 2)) except for a relative length tolerance of ± 20% and a relative angular tolerance of ± 10 °:
first axis of rotation η rc1 = (0.966, 0.003, 0.259)
Starting point of the first axis of rotation h rc1 = (223, 237, -332)
second axis of rotation η rc2 = (-0.251, -0.226, 0.941)
Point of rotation second axis h rc2 = (244, 256, -322),
each in mm.
Orientierung der Mittellängsachse des Werkzeuggriffes η tcp = (0.860, 0.510, 0)
Aufpunkt der Mittellängsachse des Werkzeuggriffes h tcp = (236.6, 262.8, -311.6),
jeweils in mm.15. Manipulator according to claim 14, characterized in that the articulated section is adapted to a human hand in the simplified tool handle as a geometric cylinder, for its orientation ( η tcp ) and point ( h tcp ) with respect to the global coordinate system ( 100 ) except for a relative length tolerance of ± 20% and a relative angular tolerance of ± 10 ° applies:
Orientation of the central longitudinal axis of the tool handle η tcp = (0.860, 0.510, 0)
Point of the central longitudinal axis of the tool handle h tcp = (236.6, 262.8, -311.6),
each in mm.
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