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Die
Erfindung betrifft eine Roboter-Mehrfingerhand mit einer Handbasis,
an welcher Finger befestigbar sind und über welche Beugen und Schwenken
der Finger steuer- bzw. regelbar ist.
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Eine
derartige Roboter-Mehrfingerhand wurde unter der Bezeichnung DLR/HIT-Hand
(Siehe Product Specification DLR/HIT-Hand, 06/2004, S.1 bis 4) bekannt, da
sie von HIT (Harbin Institute of Technology P.R. China) und DLR
(Deutsches Zentrum für Luft-
und Raumfahrt e.V., Deutschland) entwickelt wurde.
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Diese
Hand hat vier Finger und jeder Finger hat vier Gelenke und drei
Freiheitsgrade; der Daumen hat einen zusätzlichen Freiheitsgrad. Jeder
Finger ist von drei bürstenlosen
Gleichstrommotoren mit analogen Hall-Sensoren angetrieben. Hierbei
ist das mittlere und das distale Fingerglied von einem Motor mit
nachgeordnetem Koppelgetriebe angetrieben, um so eine der menschlichen
Hand ähnliche
Bewegung zu erzeugen. Die Basisgelenkeinheiten jedes Fingers werden
von zwei Motoren angetrieben.
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Die
DLR/HIT-Hand ist eine rechte Hand. Wenn eine linke Hand gebraucht
würde,
müsste
fast die komplette Handwurzel umkonstruiert werden. Dies wäre mit einem
hohen Zeitaufwand und entsprechend hohen Kosten verbunden. Eine
einfache Änderung
oder Umkonfigurierung ist bei der DLR/HIT-Hand nicht möglich.
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Eine
Gelenkwinkelmessung wurde bisher meist mittels Potentiometer oder
Encoder mit Index vorgenommen. Encoder mit Index benötigen verhältnismäßig viel
Platz und die alte Position muss gespeichert werden.
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Wenn
Finger einer Roboter-Mehrfingerhand in einer Größenordnung gebaut werden, dass
sie etwa der Länge
des Mittelfingers einer großen menschlichen
Hand entsprechen, ist im Bereich der Antriebsachsen einer kardanischen
Gelenkeinheit der Raum zu beengt bzw. steht zu wenig Raum zur Verfügung, um
beispielsweise einen Encoder mit Index unterbringen zu können. Die
bisher verfügbaren, eine
absolute Gelenkwinkelmessung ermöglichenden
Encoder sind aufgrund ihrer Ausführung
und insbesondere ihrer Bauweise nicht in der Größe der menschlichen Hand entsprechenden
Fingern einer Roboter-Mehrfingerhand integrierbar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine kompakte miniaturisierte Roboter-Mehrfingerhand
so auszubilden, dass sie industriell fertigbar ist. Gemäß der Erfindung
ist diese Aufgabe bei einer Roboter-Mehrfingerhand gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und
3 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf diese Ansprüche unmittelbar
oder mittelbar rückbezogenen
Ansprüche.
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Gemäß der Erfindung
ist die Handbasis als konfigurierbare Handwurzel ausgelegt. Ferner
sind alle Finger als Fingermodule gleicher Bauart ausgebildet, so
dass sie sowohl als Finger als auch als Daumen nutzbar sind. Wenn
einer der Finger als Daumen eingesetzt ist, wird im folgenden von
Daumen-Finger bzw. -Fingermodul gesprochen.
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Da
die Handbasis als konfigurierbare Handwurzel ausgeführt ist,
kann durch Ummontieren einer Schwenkeinheit des Daumen-Fingers die Mehrfingerhand
von einer linken in eine rechte Hand oder umgekehrt sehr schnell
umgewandelt werden; die Daumen-Schwenkeinheit ist nur mit wenigen
Schrauben an der konfigurierbaren Handwurzel der Handbasis befestigt.
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Da
bei einer kompakten Ausführung
einer Roboter-Mehrfingerhand, wie vorstehend bereits ausgeführt, der
zur Verfügung
stehende Raum äußerst eng
bemessen ist bzw. kein entsprechender Raum zur Verfügung steht,
sind die Messstellen, um die Winkelstellung eines Fingers einer
Roboterhand zu bestimmen und festzustellen, gemäß der Erfindung verlegt worden.
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Gemäß der Erfindung
sind zum Feststellen der jeweiligen Winkelstellung eines kardanischen
Basisgelenks, mittels welchem ein Fingermodul einer Mehrfingerhand
gebeugt und geschwenkt werden kann, zwei Gelenkwinkel-Sensoren,
die jeweils einen Permanentmagneten und einen Sensor-Chip mit einem
Messpunktbereich aufweisen, in der Weise verlegt worden, dass der
Permanentmagnet jedes Fingermoduls in einer axial ausgebildeten
Vertiefung eines von einem Abtriebszahnrad einer Motorgetriebeeinheit
angetriebenen passiven Zahnrads entsprechend ausgerichtet untergebracht
ist, und der Sensor-Chip jedes Fingermoduls auf einer im Basisgelenkbereich
vorgesehenen Platine, auf welcher die Elektronik zur Berechnung
der Winkelstellung des Basisgelenks untergebracht ist, so angeordnet
ist, dass ein Messpunkt im Messpunktbereich auf dem Sensor-Chip
genau dem Permanentmagneten gegenüber liegt.
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Mittels
zwei solcher Gelenkwinkel-Sensoren deren Permanentmagnete jeweils
in axial ausgebildeten Vertiefungen der passiven Zahnräder angeordnet
sind, ist eine indirekte Messung der Winkelstellung des jeweiligen
Fingers bzw. Fingermoduls erreicht.
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Ein
derartiger Gelenkwinkel-Sensor arbeitet berührungslos, d.h. ohne jeden
Verschleiß,
ist unempfindlich gegen Verschmutzung und mit ihm kann ein absoluter
Positionswinkel bestimmt werden. Obendrein ist der Aufbau dieses
Gelenkwinkel-Sensors
einfach, er benötigt
nur einen sehr geringen Bauraum und lässt sich daher in einfacher
Weise integrieren.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es
zeigen:
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1a und 1b Rückansicht
einer Handbasis mit links bzw. rechts montierter Schwenkeinheit;
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2a und 2b jeweils
eine Vorderansicht einer Handbasis mit einer links bzw. rechts montierten
Schwenkeinheit;
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3a und 3b eine
Vorderansicht einer Handbasis mit nach links bzw. nach rechts außen geschwenkter
Schwenkeinheit;
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4a und 4b Vorderansichten
einer Handbasis entsprechend 2a und 2b mit
an dieser befestigten drei baugleichen Fingermodulen und einem ebenfalls
baugleichen Daumen-Fingermodul;
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5a und 5b Vorderansichten
einer Handbasis mit drei montierten Fingermodulen sowie entsprechend 3a und 3b mit
einem weiteren an einer nach links bzw. nach rechts ausgerichteten Schwenkeinheit
montierten baugleichen Daumen-Finger;
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6a und 6b eine
der 5a und 5b entsprechende
perspektivische Wiedergabe einer mit drei Fingern bestückter Handbasis
und eines weiteren an einer nach links bzw. rechts geschwenkten
Schwenkeinheit befestigten Daumen-Fingers;
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7a und 7b zwei
schematisch dargestellte Platinen;
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7c eine
stark vergrößerte Schnittdarstellung
eines Feder-Kontaktstiftes;
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7d eine
schematische Darstellung einer Zuordnung der zwei Platinen;
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8a eine
perspektivische Darstellung der Anordnung und Unterbringung von
zwei Gelenkwinkel-Sensoren;
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8b eine
der 8a entsprechende Darstellung, in welcher eine
in 8a dargestellte Platine entfernt ist;
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9a ein
Blockschaltbild der Energieversorgung von Fingermodulen einer Mehrfinger-Hand, und
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9b ein
Blockschaltbild der Energieversorgung eines Fingermoduls.
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In 1a und 1b sind
Rückansichten
einer Handbasis 1 einer linken bzw. rechten Hand wiedergegeben,
wobei jedoch sowohl in 1a als auch in 1b nur
die Unterseite einer Schwenkeinheit 3 dargestellt ist.
In 2a und 2b sind
Vorderansichten der Handbasis 1 wiedergegeben; im Unterschied
zu 1a und 1b sind
in 2a die Schwenkeinheit links und in 2b die
Schwenkeinheit rechts in Draufsicht wiedergegeben ist. In 3a und 3b ist
wiederum die Vorderansicht der Handbasis 1 dargestellt,
wobei jedoch im Unterschied zu 2a und 2b die
Schwenkeinheit 3 in 3a nach
links und in 3b nach rechts geschwenkt ist.
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In 4a und 4b sind
in Ergänzung
der Darstellungen in 2a und 2b an
der jeweiligen Handbasis 1 drei baugleiche Fingermodule 2 und an
der in 4a und 4b nicht
näher bezeichneten
Schwenkeinheit ein mit den Fingermodulen 2 baugleicher
Daumen-Fingermodul 2' befestigt.
In Ergänzung
der 3a und 3b sind
in 5a und 5b in
einer Vorderansicht und in 6a und 6b in
einer perspektivischen Darstellung wiederum an der jeweiligen Handbasis 1 drei
baugleiche Fingermodule 2 sowie an der nach links bzw.
nach rechts geschwenkten Schwenkeinheit 3 ein mit den Fingermodulen 2 baugleicher
Daumen-Fingermodul 2' montiert.
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Da
es sich bei der Handbasis 1 um eine konfigurierbare Handwurzel
handelt, kann somit durch einfaches Ummontieren der Schwenkeinheit 3,
d.h. durch Lösen
von Befestigungsmittel sowie Befestigen der abgenommenen Schwenkeinheit 3 ohne nen nenswerten
Zeitaufwand die Handwurzel für
eine linke Hand in eine solche für
die rechte Hand und umgekehrt umgebaut werden.
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Wenn
bisher Finger an einer Handbasis montiert waren, erfolgte die Übertragung
von Energie und Daten über
Kabel. Hierzu waren an einer an einem Finger befestigten Platine
sowie an einer an der Handbasis montierten Platine sowie an Kabelenden Stecker
angebracht, die zusammengeführt
und ineinander gesteckt werden mussten. Bei jedem Steckvorgang waren
die Kabel einer besonderen mechanischen Belastung ausgesetzt. Noch
dazu konnten die Stecker verwechselt werden. Bei wiederholtem Lösen und
Zusammenführen
der Stecker waren die Kabel besonderen Belastungen ausgesetzt, mit
der Folge, dass es immer wieder zu Brüchen und damit zu gravierenden
Störungen
aufgrund der unterbrochenen Energie- bzw. Datenübertragung kam.
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In 7a ist
eine zur Vereinfachung der Darstellung nicht bestückte Platine 4 in
perspektivischer Darstellung wiedergegeben, auf welcher eine Anzahl Kontaktflächen 7 vorgesehen
sind. In 7b ist eine weitere Platine 5 in
Draufsicht wiedergegeben, bei welcher an dem in 7b unteren
Rand eine Anzahl Feder-Kontaktstifte 6 befestigt sind.
Entlang der Außenseiten
der Platinen 4 und 5 sind Bohrungen 8 für Befestigungselemente
vorgesehen.
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In 7c ist
in einer Schnittansicht ein einzelner Feder-Kontaktstift 6 wiedergegeben.
Jeder der Feder-Kontaktstifte 6 weist eine zylinderförmige Hülse 6a mit
einer Taillierung 6b auf. Im in 7c unteren
Teil der Hülse 6 ist
eine Schraubenfeder 6c und darüber der eigentliche Kontaktstift 6d un tergebracht,
wobei der eigentliche Kontaktstift 6d im Bereich der Hülsen-Taillierung 6b einen
geringeren Durchmesser aufweist.
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Die
Platine 5 ist an einem in 7d nicht dargestellten
Fingermodul 2 so befestigt, dass die Kontaktstifte 6d der
Feder-Kontaktstifte 6 nach
unten über
den Fingermodul 2 vorstehen. Wenn die Platine 4 an
einer in 7d nicht dargestellten Handbasis entsprechend
angebracht ist, so dass die Feder-Kontaktstifte 6 der am Fingermodul 2 befestigten
Platine 5 genau auf die auf der Platine 4 vorgesehenen
Kontaktflächen
ausgerichtet sind, wird beim Montieren dieses Fingermoduls 2,
von dessen unterem Ende die Feder-Kontaktstifte 6 vorstehen,
an der konfigurierten Handbasis 1 sofort ein einwandfreier
Kontakt zu den Kontaktflächen
auf der Platine 4 hergestellt, da die einzelnen Feder-Kontaktstifte 6 gegen
die entsprechenden Kontaktflächen 7 gedrückt werden.
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Die
hierdurch geschaffene Verbindung ist nahezu wartungsfrei. Ein Vertauschen
der an den Kabeln angebrachten Stecker sowie ein Brechen der Kabel
ist ausgeschlossen. Da beim Montieren eines Fingermoduls eine mechanische
Verbindung hergestellt bzw. beim Abnehmen eine Fingermoduls 2 diese
Verbindung gelöst
werden muss, kann der Austausch von Fingermodulen auch durch weniger
qualifiziertes Personal ohne Schwierigkeiten vorgenommen werden.
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Zum
Feststellen und Bestimmen der Winkelposition eines kardanischen
Basisgelenks, werden, wie in 8b schematisch
dargestellt ist, auf berührungslos
arbeitenden Hall-Effekt-Sensoren basierende zweidimensionale Gelenkwinkel-Sensoren 14 verwendet,
die jeweils einen Permanentmagneten 15 und einen ihm zugeordneten
Sensor-Chip 16 aufweisen.
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In 8a ist
in perspektivischer Darstellung ein Teil eines Antriebs einer nicht
dargestellten kardanischen Gelenkeinheit gezeigt. Über nicht
dargestellten Motoren nachgeordnete Getriebeeinheiten 11 werden
Stirnräder 9 und
Kegelräder 10 angetrieben. Die
Kegelräder 10 stehen
in kämmendem
Eingriff mit in 8a und 8b nicht
dargestellten Kegelrädern, über welche
wiederum nicht dargestellte Antriebskegelräder einer ebenfalls nicht dargestellten kardanischen
Gelenkeinheit angetrieben werden.
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In 8a und 8b stehen
die Stirnräder 10 in
kämmendem
Eingriff mit passiven Zahnrädern 12.
Vorzugsweise in axial ausgebildeten, nicht dargestellten Vertiefungen
in den passiven Zahnrädern 12 ist
jeweils ein in 8a und 8b schematisch
angedeuteter, entsprechend ausgerichteter Permanentmagnet 15 untergebracht
und magnetisch in der Vertiefung gehalten. An der Unterseite einer
nur in 8a dargestellten Platine 13 ist
ein Sensor-Chip 16 mit einem Messpunktbereich so angebracht,
dass ein Messpunkt in dem Messbereich in einem vorbestimmten Abstand
genau dem Permanentmagneten 15 gegenüberliegend angeordnet ist.
Um die Anordnung und insbesondere die Ausrichtung des an der Platine 13 befestigten
Sensor-Chips 16 zu zeigen, ist in 8b die
Platine 13 weggelassen.
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Mittels
der auf berührungslos
arbeitenden Hall-Effekt-Sensoren basierenden, zweidimensionalen
Gelenkwinkel-Sensoren 14 ist eine absolute Gelenkwinkelmessung
ermöglicht.
Mit Hilfe der beiden Gelenkwinkel-Sensoren 14 kann die
jeweilige Win kelstellung eines in jedem Fingermodul 2 untergebrachten
kardanischen Basisgelenks bestimmt werden, über welches das Beugen und
Schwenken des jeweiligen Fingermoduls 2 einer Mehrfingerhand durchgeführt wird.
Hierbei wird unter Beugen eines Fingers bzw. eines Fingermoduls
ein Abbiegen der Finger/Fingermodule in Richtung des Handtellers
einer Roboter-Mehrfingerhand und unter Schwenken ein Verschwenken
der an einer Handbasis montierten Finger/Fingermodule einer Mehrfingerhand
in einer zur Handbasis etwa parallel verlaufenden Ebene verstanden.
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Die
eine absolute Winkelstellung eines Basisgelenks eines jeden Fingermoduls
messenden Gelenkwinkel-Sensoren 14 arbeiten berührungslos, verschleißen somit
nicht, sind unempfindlich gegenüber
Verschmutzungen, einfach aufgebaut und benötigen nur einen sehr geringen
Raum, und sind somit in den im Basisbereich jedes Fingermoduls einer
Roboter-Mehrfingerhand zur Verfügung
stehenden Bauraums zu integrieren.
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Die
Elektronik sowie die Motore in den Fingermodulen 2 einer
Roboter-Mehrfingerhand müssen
so mit Energie versorgt werden, dass sich die elektrischen Komponenten
in den einzelnen Fingern untereinander nicht stören, da dadurch Messergebnisse
verfälscht
werden und auch nicht nach außen stören bzw.
von außen
gestört
werden. Ferner sollen durch die Rückwirkungen beim Beschleunigen
oder Abbremsen der Motore auch die Elektronik nicht gestört werden.
Bisher ist diese Problematik dadurch gelöst worden, dass die Motore über eine
eigene Leitung versorgt werden und zumindest ein zweites Netzteil
für die
Versorgung der Elektronik vorgesehen worden ist.
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Um
diesen Aufwand zu reduzieren und Störeinflüsse zu verringern, sowie auszuschließen, ist, wie
in 9a dargestellt, gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung in der Handbasis 1 ein DC/DC-Wandler 17 vorgesehen,
durch welchen die Betriebsspannung von beispielsweise 24V auf eine Niedrigspannung
von beispielsweise 2,5V heruntergesetzt wird. Die Niedrigspannung
wird vorzugsweise über
Filter 18 an die Elektronik 21 jedes Fingermoduls 2 angelegt.
Zwischen den Filtern 18 und der Elektronik 21 kann
noch eine Feinregelung vorgesehen sein. Die Betriebsspannung wird über Filter 19 an
die Motore 22 angelegt.
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Auf
diese Weise wird für
eine Roboter-Mehrfingerhand nur ein einfaches Netzteil benötigt, welches
wenig Platz in der Roboterhand in Anspruch nimmt. Auch die der Elektronik
bzw. den Motoren vorgeschalteten Filter benötigen wenig Platz.
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- 1
- Handbasis
- 2
- Fingermodul
- 2'
- Daumen-Finger
- 3
- Schwenkeinheit
- 4
- erste
Platine
- 5
- zweite
Platine
- 6
- Feder-Kontaktstift
- 6a
- zylinderförmige Hülse
- 6b
- Taillierung
- 6c
- Feder
- 6d
- Kontaktstift
- 7
- Kontaktflächen
- 8
- Bohrungen
für Befestigungselemente
- 9
- Stirnrad
- 10
- Kegelrad
- 11
- Getriebeeinheit
- 12
- passives
Zahnrad
- 13
- dritte
Platine
- 14
- Gelenkwinkelsensor
- 15
- Permanentmagnet
- 16
- Sensorchip
- 17
- DC/DC-Wandler
- 18
- Filter
- 19
- Filter
- 20
- Feinregelung
- 21
- Elektronik
- 22
- Motor