DE2656378A1

DE2656378A1 - Manipulator

Info

Publication number: DE2656378A1
Application number: DE19762656378
Authority: DE
Inventors: Masuo Kasai; Kanji Kato; Yasuhide Matsumura; Raiji Shimomura; Kiyoo Takeyasu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-12-19
Filing date: 1976-12-13
Publication date: 1977-07-07
Also published as: JPS5275760A; JPS5424185B2; GB1536788A; US4095481A; DE2656378B2; NL7614098A; DE2656378C3; NL165677B; NL165677C

Description

SCHIFF ν. FÜNER STREhL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 OI 6O₁ D-8OOO MÜNCHEN 95

HITACHI, LTD. 13. Dezember 1976

DA-12 356

Manipulator

Die Erfindung betrifft einen Manipulator _r dessen Gelenkmechanismus in einem sphärischen Koordinatensystem
steuerbar ist und einen unabhängigen, redundanten Freiheitsgrad aufweist, so daß der Manipulator auf einem Transportmittel, einem Träger usw. benutzt werden kann.

Zur Verdeutlichung sei auf die Verhältnisse einer menschlichen Hand hingewiesen, deren Handgelenkstellung durch die Länge eines von der Schulter zum Handgelenk gerichteten
Vektors sowie dessen Richtung beschrieben werden kann. Optimales Koordinatensystem hierfür ist ein sphärisches Koordinatensystem.

Die Stellung des Ellbogens entspricht einem redundanten Freiheitsgrad, der die Lage des Arms bestimmt, wodurch die Person die dem Arbeitsinhalt am besten entsprechende Armstellung einnehmen und Hindernisse beim Arbeiten umgehen kann.

Die Fig. 1 und 2 zeigen herkömmliche Manipulatoren.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Manipulators, der eine solche Betatigungsfunktion ermöglicht. Der

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Gelenkmechanismus steuert die nach rechts bzw. links gerichtete Bewegung durch Betätigen eines Gelenks oc, die Auf- und Abwärtsbewegung mittels eines Gelenks θ und die Länge bis zum Handgelenk W mittels eines Gelenks Ψ. Auf diese Weise kann die Lage des Handgelenks W eingestellt werden. Die Lage des Arms kann durch Ändern der Stellung des Ellbogens E über ein Gelenk ß verändert werden, wobei S den Ursprung des Koordinatensystems bezeichnet und die z-Achse in die drehbare Welle des Gelenks OCgelegt ist. Die drehbare Welle des Gelenks ß liegt in der durch die x-Achse und y-Achse aufgespannten x-y-Koordinatenebene und S¹ bezeichnet den Schnittpunkt der drehbaren Wellen der Gelenke ß und Θ.

Wird zu einem sphärischen Koordinatensystem übergegangen, so wird der die Lage des Handgelenks W angebende Vektor SW durch die sphärischen Koordinaten 1, Θ¹ und oc¹ (Fig.. 2) beschrieben. Die Länge 1 des Vektors SW ist eine Funktion der Variablen V und Θ; seine Richtung Θ¹ ist eine Funktion der Variablen θ, ψ und ß und seine weitere Richtung 06' ist eine Funktion der Variablen «., θ, Ψ und ß. Den Gelenken ist somit nicht jeweils lediglich eine einzige Koordinate des Koordinatensystems zugeordnet,, womit, wenn z.B. das Gelenk θ bedient wird, auch sämtliche anderen Elemente 1, Θ¹ und Ot.¹ verändert werden müssen.

Dies führt dazu, daß selbst wenn lediglich eines der Elemente 1, Θ¹ und ot.¹ des sphärischen Koordinatensystems geändert werden soll, eine aufwendige Steuerung benötigt wird, und daß beim Antrieb des dem redundanten Freiheitsgrad zugeordneten Gelenks ß, also bei der Änderung der Lage des Arms, gleichzeitig auch die Stellung des Handgelenks verändert werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen in einem sphärischen Koordinatensystem einstellbaren Manipulator anzugeben, dessen Gelenke auf einfache Welse steuerbar sind und

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der einen von der Stellung seines dem Handgelenk entsprechenden Arbeitsendes vollständig unabhängigen, redundanten Freiheitsgrad hat.

Ein derartiger Manipulator ist erfindungsgemäß

gekennzeichnet durch ein erstes Gelenk mit einer um die z-Achse eines in gewünschter Lage in einem Arbeitsraum gelegenen x-y-z-Koordinatensystems drehbaren Welle, durch ein zweites, mit der drehbaren Welle des ersten Gelenks verbundenes Gelenk mit einer in der x-y-Koordinatenebene gelegenen, drehbaren Welle, durch ein drittes, mit der drehbaren Welle des zweiten Gelenks verbundenes Gelenk mit einer um einen Vektor, der durch den Ursprung des karthesischen Koordinatensystems verläuft, drehbaren Welle und durch einen mit der drehbaren Welle des dritten Gelenks verbundenen, einen Gelenkmechanismus aufweisenden Arm, der in einer Weise antreibbar ist, daß sich sein Arbeitsende längs einer Verlängerungslinie des Vektors bewegt. Ein derartiger Manipulator ist einfach steuerbar und weist einen redundanten Freiheitsgrad seiner Lage auf, der von der Stellung des Arbeitsendes vollständig unabhängig ist.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Und zwar zeigen die

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen zur Erläuterung der

Konstruktion und Wirkungsweise des Gelenkmechanismus eines erfindungsgemäßen Manipulators und die

Fig. 5 bis 7 teilweise Draufsichten auf erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele .

Der Gelenkmechanismus des in Fig. 3 dargestellten, erfindungsgemäßen Manipulators weist Gelenke 2o, 22 und 24 sowie einen

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Antrieb 26 und einen Arm 28 auf. Das Gelenk 2o umfaßt eine um die z-Achse eines karthesischen Koordinatensystems drehbare Welle. Das Gelenk 22 ist mit der drehbaren Welle des Gelenks 2o verbunden und weist in der x-y-Koordinatenebene eine drehbare Welle auf. Das Gelenk 24 ist an der drehbaren Welle des Gelenks 22 gehalten; seine drehbare Welle zeigt in Richtung eines Vektors SS¹ der vom Ursprung S weigweist. Der Arm 28 ist an der drehbaren Welle des Gelenks 24 angebracht und wird vom Antrieb 26 in der Weise angetrieben, daß sich sein dem Handgelenk entsprechendes Ende W stets entlang der Verlängerungslinie des Vektors SS¹ bewegt. Der Antrieb 26 und der Arm 28 des Gelenkmechanismus werden untenstehend noch näher erläutert.

Im Gelenkmechanismus nach Fig. 4 kann die Stellung des Handgelenkendes W ausschließlich in einem sphärischen Koordinatensystem (1, ©',oc'), ausgedrückt werden, wobei 1 den Abstand von dem der Schulter entsprechenden Punkt S zum Handgelenkende W, d.h. den Abstand (SS· S¹W) bezeichnet. Der Abstand 1 ist jedoch lediglich eine Punktion eines Antriebswinkels V* des Antriebs 26, da die Länge des Vektors SS' stets konstant ist. Θ¹ bezeichnet einen Drehwinkel des Gelenks 22 und oC¹ ist der Drehwinkel des Gelenks 2o.

um eine der Größen 1, Θ¹ und OC¹ zu verändern, muß lediglich jeweils ein Gelenk angetrieben werden, so daß sich die Steuerung erheblich vereinfacht.

Selbst wenn das Gelenk 24, das die Stellung des Arms 28 festlegt, betätigt wird, ändert sich die Stellung des Handgelenkendes W nicht, da die Punkte S, S' und W auf einer Geraden liegen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele des im Rahmen dieser Erfindung benutzten Antriebs 26 bzw. des Arms

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28. Der in Fig. 5 dargestellte Arm 28 weist einen mit S¹E bezeichneten ersten Arm 28' und einen rait EW bezeichneten zweiten Arm 28" auf. Der erste Arm 28" und der zweite Arm 28" sind am Punkt E miteinander verbunden und liegen in einer gemeinsamen Ebene mit dem Vektor SS¹ oder dessen Verlängerungslinie S¹W. Der zweite Arm 28* ist in der Richtung von W nach E (W-i»E) zum Punkt E' hin verlängert, womit der Gelenkmechanismus ein Parallelogramm s'-E-E'-S'-S¹ bildet, als dessen benachbarte Seiten der erste Arm 28· und der verlängerte Teil EE* des zweiten Arms 28"dienen. Die benachbarten Seiten des Parallelogramms sind, wie auch der Punkt E, in der den Vektor SS* oder dessen Verlängerungslinie S¹W einschließenden Ebene miteinander verbunden. Der erste Arm 28' und der zweite Arm 28" haben darüberhinaus gleiche Länge, d.h. es ist S¹E gleich EW. Wird der Winkel zwischen der Seite S¹S" des Gelenks und dem Vektor SS*¹ mit *f 1 und der Winkel zwischen S¹E und SS*' mit *f2 bezeichnet, so ist der Winkel zwischen dem zweiten Arm 28' (WE) und dem Vektor S?¹ ebenfalls gleich 4» 2.

Das Handgelenkende W kann somit mittels des Arms 28 stets auf der Verlängerungslinie des Vektors SS¹ gehalten werden, wenn die Beziehung ψ 1 gleich ^P2 eingehalten wird, indem S¹S" und S¹E über verschiedene Antriebswellen angetrieben werden. Zu diesem Zweck ist ein in Fig. 6 dargestelltes Differentialgetriebe 32 vorgesehen, das, von einem Antrieb 3o betrieben, S¹S" und S¹E über Abtriebswellen 34 und 36 des Differentialgetriebes antreibt. ^

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, das ohne den vorstehend erläuterten Gelenkmechanismus auskommt.

An den Stellen S¹ und E sind in Fig. 7 Antriebsmotoren 4o und 42 vorgesehen, die so gesteuert werden, daß *f 1 stets gleich V2 ist, also das Handgelenkende W sich wiederum entlang der Verlängerungslinie des Vektors SS* bewegt.

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Wird, wie bereits erläutert, die Stellung des Handgelenkendes unter Zuhilfenahme eines sphärischen Koordinatensystems bestimmt, so sind die Koordinatenwerte 1, θ'und OL¹ des Gelenkmechanismus des herkömmlichen Manipulators durch folgende Gleichungen gegeben, die jeweils Funktionen einer Vielzahl Gelenke sind:

ι = f(e, V)
θ' - f(e, ψ, ß)

et/ = £(θ, Ϋ, ß,OC)

Das Einstellen des herkömmlichen Manipulators ist somit schwierig, da jedesmal wenn ein Gelenk zum Ändern der
Gelenke 1 angetrieben wird, auch die Richtungen Θ¹ und OC¹
geändert werden müssen.

Im Gegensatz hierzu können erfindungsgemäße Manipulatoren wesentlich einfacher eingestellt werden, da die Elemente 1, Θ¹ und oL¹ jeweils lediglich von einer einzigen
Variablen abhängen, wie dies die folgenden Gleichungen zeigen:

Θ« = f(9 )
ÖL· = f(oC)

Dementsprechend vereinfacht sich durch die Erfindung auch die Steuerung beim Einstellen des Handgelenkendes
beträchtlich, womit auch die Lage des Handgelenkendes leicht
verändert werden kann. Schließlich können beim Arbeiten mit
dem Manipulator Hindernisse umgangen werden, da die Stellung
des Ellbogens, die dem redundanten Freiheitsgrad entspricht,
unabhängig von der Stellung des Handgelenkendes verändert werden kann. Diese Eigenschaft erleichtert das Arbeiten des Manipulators erheblich.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.' Manipulator mit mehreren Gelenken, g e k e η η zeichnet durch ein erstes Gelenk (2o) mit einer um die z-Achse eines in gewünschter Lage in einem Arbeitsraum gelegenen karthesischen x-y-ζ-Koordinatensystems drehbar angetriebenen Welle, durch ein zweites, mit der drehbaren Welle des ersten Gelenks (2o) verbundenes Gelenk (22) mit einer in der x-y-Koordinatenebene gelegenen, drehbar angetriebenen Welle, durch ein drittes, mit der drehbaren Welle des zweiten Gelenks (22) -verbundenes Gelenk (24) mit einer um einen Vektor (SS¹)/ der durch den Ursprung (S) des karthesischen Koordinatensystems verläuft, drehbar angetriebenen Welle und durch einen mit der drehbaren Welle des dritten Gelenks (24) verbundenen, einen Gelenkmechanismus aufweisenden Arm (28), der in einer Weise antreibbar ist, daß sich sein Arbeitsende (W) längs einer Verlängerungslinie des Vektors (SS¹) bewegt.

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Arm (28) einen ersten von einem mit der drehbaren Welle des dritten Gelenks (24) verbundenen Antrieb (26) antreibbaren Armteil (28*) sowie einen zweiten mit dem ersten Armteil (28¹; S¹E) in einer auch den Vektor (SS¹) einschließenden Ebene verbundenen Armteil (28"; EW)

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aufweist und daß der erste und der zweite Armteil (28*, 28"; S¹E, EW) so antreibbar sind,daß der Winkel zwischen dem ersten Armtell (28¹; S¹E) und dem Vektor (SS¹) stets gleich dem Winkel zwischen dem zweiten Armteil (28"; EW) und dem Vektor (SS¹) ist.

3. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Arm (28) einen ersten von ainem mit der drehbaren Welle des dritten Gelenks (24) verbundenen Antrieb (26) antreibbaren Armteil (28*) sowie einen zweiten, senkrecht zur Richtung des Vektors (SS') mit dem ersten Armteil (28·) verbundenen Armteil (28") aufweist, daß der Gelenkmechanismus als Parallelogramm (S¹E E'S"S') ausgebildet ist, von dessen benachbarten Seiten eine Seite durch den ersten Armteil (28¹) und die benachbarte zweite Seite durch ein Verlängerungs teil (E¹E) des zweiten Arrateils (28") gebildet ist und jede benachbarte Seite des Parallelogramm in einer gemeinsamen, auch den Vektor (SS¹) enthaltenden Ebene verbunden ist und daß die Länge des ersten Armteils (28') gleich der Länge des zweiten Armteils (28") ohne das Verlängerungsteil (E¹E) ist.

4. Manipulator nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das dritte Gelenk (24) ein Differentialgetriebe (32) mit zwei Abtriebswellen (34, 36) aufweist, von denen die eine mit dem ersten Ärmteil (28') und die andere mit einer dem ersten Armteil (28' benachbarten, vom

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ersten Anateil (28*) um eine Differenzlänge beabstandeten, weiteren Seite (S¹S") des Parallelogramms (S¹EE¹S"S¹) verbunden ist und daß die Abtriebswellen (34, 36) so antreibbar sind, daß der Winkel zwischen erstem Arm (28·) und Vektor (SS¹) stets gleich dem Winkel zwischen der benachbarten Seite (S¹S") und dem Vektor (SS¹) ist.

5. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das dritte Gelenk (24) einen den ersten Armteil (S¹E) antreibenden Motor (4o) und der Arm (28) einen den zweiten Armteil (EW) am Verbindungsteil von zweitem und erstem Armteil antreibenden weiteren Motor (42) aufweist und daß der weitere Motor (42) so steuerbar ist, daß der Winkel zwischen dem ersten Arm (S¹E) und dem Vektor (SS') stets gleich dem Winkel zwischen dem zweiten Arm (EW) und dem Vektor (SS¹) ist.

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