DE2949558C2 - Mechanische Hand - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Hand zum Ergreifen von Werkstücken entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Entsprechend diesem aus »Technische Rundschau« Nr. 22, Seite 43, bekannten Stand der Technik werden Manipulatoren mit Greiffingern vorgeschlagen, in deren Greiffläche Sensoren vorgesehen sind, welche die Greifkraft steuern und den Gegenstand ertasten können. Der Ort der Anbringung der Sensoren im unmittelbaren Angriffsbereich der zu ergreifenden Werkstücke bedingt einen erheblichen konstruktiven Aufwand, wobei außerdem die Gefahr einer Beschädigung der Sensoren als relativ hoch einzuschätzen ist, welche Beschädigung schnell zu einer Funktionsuntüchtigkeit der greifabhängigen Steuerung führen kann.

Aus der DE-OS 22 57 634 ist eine Greifkraftbegrenzung über die elastische Verbiegung einer Greifbacke bekannt. Die US-PS 33 70 213 beschreibt eine Greifkraftregulierung mittels einer elektromagnetischen Kupplung.

Schließlich ist aus der DE-OS 27 02 852 ein Zugkraftbegrenzer bei Hebezeugen bekannt, welche eine reine Sicherheitsfunktion haben, d. h. das Abschalten des Anhebens zu bewirken haben, wenn eine Grenzlast erreicht wird. Bei derartigen Hebezeugen wird die bestimmende Kraft als Tragkraft im Tragseil gemessen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mechanische Hand der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der unter Verwendung einfacher Mittel ein kraftabhängiges, sicheres und stabiles Erfassen der Werkstücke möglich ist, wobei die Mittel zum Feststellen der Greifkraft außerhalb der Greiffläche liegen sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die die Antriebsmittel steuernden Meßeinrichtungen liegen nicht an der eigentlichen Greiffläche der Finger. Vielmehr werden die die Greifkraft erzeugenden Zugkabel selbst mit Meßeinrichtungen ausgestattet, da sich die Greifkraft unmittelbar durch die in den Zugelementen auftretenden Zugkräfte dokumentiert. Diese Zugkabel kommen jedoch mit dem zu ergreifenden Werkstück nicht in Berührung, so daß dieser auch keiner greifkraftabhängigen Belastung unterworfen sind.

Die Kraftschwelle, die den Finger in der Arbeitsstellung festlegt, kann bei allen Fingern den selben Wert haben, hat aber vorzugsweise für jeden Finger einen verschiedenen Wert, um der mechanischen Hand eine größere Anpassungsfähigkeit an Werkstücke verschiedener Gestalt und Anordnung zu geben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht der mechanischen Hand;

F i g. 2 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, eines Fingers der Hand der Fig. 1;

F i g. 3 eine Seitenansicht des Fingers der F i g. 2;

Fig.4 eine Seitenansicht des Greifglieds eines Fingers der mechanischen Hand;

Fig.5 eine Teil-Vorderansicht des Systems der Antriebsmittel der Finger der mechanischen Hand der Fig. 1;

F i g. 6 eine Ansicht des Systems der Antriebsmittel der Finger in der Schnittebene entlang der Linie VI-VI in F i g. 5 und

F i g. 7 eine Teiiansicht des zu einem der Antriebsmittel der F i g. 5 gehörigen Getriebes.

In Fig. 1 sind allgemein mit 10, 11 und 12 die drei Finger der mechanischen Hand bezeichnet, die von einer Platte 13 getragen werden. Jeder Fir-ger besteht aus vier Gelenkstäben, weiche die Funktionen der Fingerglieder einer menschlichen Hand erfüllen. Die Stäbe des Fingers 10 sind irit 101, 103, 102 und 104 bezeichnet, die des Fingers 11 mit 111,112,113,114 und die des Fingers 12 mit 121,122,123,124.

Die Ausbildung der Finger ist deutlicher aus F i g. 2 und 3 ersichtlich, wo der Finger 10 detailliert dargestellt ist.

Der Endstab 101 ist bei 14 an den mittleren Stab 102 angelenkt und konzentrisch mit dem Zapfen 14 ist eine Spiralfeder 15 angeordnet, die vorgespannt ist und deren eines Ende mit dem Stab 101 und deren anderes Ende mit dem Stab 102 fest verbunden ist. Der Stab 101 besitzt einen äußeren Vorsprung 16, der mit einem entsprechenden Vorsprung 17 des Stabes 102 im Eingriff steht. Die beiden genannten Vorsprünge wirken als Endanschläge bei einer Drehung im Uhrzeigersinn (im Fall der F i g. 3) des Stabes 101 in bezug auf den Stab 102.

Der Stab 102 ist bei 18 an den Innenstab 103 angelenkt und konzentrisch mit dem Zapfen 18 ist eine vorgespannte Spiralfeder 19 angeordnet, deren eines Ende mit dem Stab 102 und deren anderes Ende mit dem Stab 103 fest verbunden ist. Der Stab 102 besitzt einen äußeren Vorsprung 20, der mit einem entsprechenden Vorsprung des Stabes 103 im Eingriff steht Die beiden besagten Vorsprünge wirken als Endanschläge bei einer Drehung des Stabes 102 im Uhrzeigersinn in bezug auf den Stab 103. Der Stab 103 ist bei 22 an den Stab 104 angelenkt, der zuinnerst befindlich ist, und konzentrisch mit dem Zapfen 22 ist eine vorgespannte Spiralfeder 23 angeordnet, deren eines Ende mit dem Stab 103 und deren anderes Ende mit dem Stab 104 fest verbunden ist. Der Stab 103 besitzt einen äußeren Vorsprung 24, der mit einem entsprechenden Vorsprung 25 des Stabes 104 im Eingriff steht. Die beiden besagten Vorsprünge fungieren als Endanschläge bei einer Drehung im Uhrzeigersinn des Stabes 103 in Bezug zum Stab 104.

Der Stab 104 ist seinerseits bei 26 an einem Stützglied 27 angelenkt, der mit dem Flansch 28 einen einzigen Körper bildet, der an der in F i g. 1 gezeigten Platte befestigt wird.

Konzentrisch mit dem Zapfen 26 ist eine vorgespannte Spiralfeder 29 angeordnet, deren eines Ende mit dem Stab 104 und deren anderes Ende mit dem Stützglied 27 fest verbunden ist.

Der Stab 104 ist mit einem weiteren äußeren Vorsprung 30 versehen, der mit einem entsprechenden äußeren Vorsprung 31 des Stützglieds 27 im Eingriff steht. Die beiden besagten Vorsprünge wirken als Endanschläge bei einer Drehung nach vorne (im Fall der F i g. 3) des Stabes 104 in bezug auf den Bügel 27.

Die Spiralfedern 15, 19, 23 und 29 erfüllen die Aufgabe der Strecksehnen der Finger einer menschlichen Hand. Die Federn 15, 19 und 23 üben auf die betreffenden Stäbe eine im Uhrzeigersinn (in Fig.3) gerichtete Rückholwirkung aus, während die Feder 29 auf den Stab 104 eine Rückholwirkung ausübt, die (wieder in Fig.3) entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtet ist Das durch den Zapfen 26 und die Feder 2S gebildete Gegengelenk gestattet eine Hyperstreckung des Stabes 104 in einem Sinne zu erreichen, der demjenigen entgegengesetzt ist, in dem die Stäbe 101, 102 und 103 frei drehbar sind, wie es beim Proximalgelenkfcnochen der Finger der menschlichen Hand der Fall ist

Die Spiralfedern 15, 19, 23 können verschiedene Kennzahlen besitzen, mit von der ersten zur dritten Feder übergehend anwachsender Steifigkeit derart, so daß eine schnelle Arbeitsweise des Ergreifens und eine hohe Festigkeit der Finger erzielt werden kann.

Aus denselben Gründen können auch die Vorspannungen der Federn verschieden sein. Insbesondere kann der Wert der Vorspannung von der ersten zur dritten Feder übergehend anwachsen. Die besagten Federn können auch verschiedener Art sein (Blattfedern, Gummifedern, usw.).

Jeder Finger ist mit einem Greifglied versehen, das die Aufgabe der Fingerkuppe der Finger einer menschlichen Hand erfüllt. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, ist das Greifglied 32 des Fingers 10 mit dessen Endstab 101 fest verbunden. Zu diesem Zweck besitzt der Stab 101 durchgehende Bohrungen 33 und 34 (sichtbar in F i g. 2 und 3), in die die Verbindungsglieder eingesteckt werden, welche mit entsprechenden Bohrungen 35 und 36 (sichtbar in Fig.4) des Greifgliedes 32 im Eingriff stehen. Das Greifglied 37 des Fingers 11 ist mit dessen Endstab 111 und das Greifglied 38 des Fingers 12 ist mit dessen Endstab 121 fest verbunden.

Das vergrößert in F i g. 4 gezeigte Greifglied hat eine polyzentrische Gestalt, die aus zwei Kreisbögen 39 und 40 gebildet ist, die durch einen dritten Kreisbogen 41 miteinander verbunden sind.

Das Greifglied ist mit einer Verkleidung 45 aus geeignetem Werkstoff bedeckt, der Eigenschaften besitzt, die einen geeigneten Reibwert seiner Oberfläche gewähren.

Die Ausbildung der Greifglieder hat es gestattet, ein selbstzentrierendes System zu schaffen, insofern als beim Ergreifen des Werkstücks die Greifglieder der drei Finger danach streben ihm eine Lage einnehmen zu lassen, in der die auf das Werkstück einwirkenden äußeren Kräfte (wie das Gewicht) durch die Reaktionen in den Berührungspunkten mit den Greifgliedern selbst ausgeglichen werden. Die Ausbildung der Greifglieder und die Verkleidung mit geeignetem Werkstoff gewähren einen stabilen Griff.

Jeder Finger ist ferner mit einem Zugkabel versehen, welches die Aufgabe der Beugesehnen der Finger einer menschlichen Hand erfüllt. Das Zugkabel 42 des Fingers 10 ist an dessen Endstab 101 am Anhang 46 befestigt, der in Fig.3 sichtbar ist. Dasselbe Kabel 42 wird versciiiebbar am mittleren Stab 102 desselben Fingers 10 von einem Anhang 47 und am Innenstab 103 von einem Anhang 48 gehalten.

Ebenso ist das Zugkabel 43 des Fingers 11 an dessen Endstab 111 befestigt und wird verschiebbar von dessen mittlerem Stab 112 und von dessen Innenstah 11.1

gehalten. Auch das Zugkabel 44 des Fingers 12 ist an dessen Endstab 121 befestigt und wird verschiebbar von dessen mittlerem Stab 122 und von dessen Innenstab 123 gehalten.

Die Zugkabel 42, 43 und 44, die aus eigens vorgesehenen Durchgängen der Platte 13 herausstehen, worden verschiebbar Umlenkscheiben 49, 50, 51 gestützt und sind mit entsprechenden in F i g. 6 deutlich sichtbaren Mitnehmerscheiben 52, 53, 54 fest verbunden. Die Mitnehmerscheiben 52, 53, 54 sind mit betreffenden Spindeln 55,56,57 fest verbunden, auf die Kegelräder 58 bzw. 59 bzw. 60 aufgekeilt sind, die mit entsprechenden Kegelritzeln 61, 62, 63 kämmen (siehe in F i g. 7 das Getriebe des Kabels 42). Die Kegelritzel 61, 62 und 63 sind ihrerseits auf die Ausgangsspindeln 64, 65, 66 von elektrischen Reibungs-Bremsaggregaten 67, 68, 69 aufgezogen, die als an sich bekannte Aggregate nicht näher gezeigt sind (siehe ferner, außer Fig. 1,5,6und7).

Die Reibungs-Bremsaggregate sind auf einer Platte 93 befestigt, die ihrerseits mit der Platte 13 mit Hilfe der Pfosten 70, 71 und 72 verbunden sind. An der Platte 93 ist auch ein gemeinsamer elektrischer Motor 73 befestigt, der mit einer eigenen Bremse 74 versehen ist. Auf die Ausgangswelle 75 des elektrischen Motors 73 ist ein Ritzel 76 aufgezogen, das mittels einer Kette 77 auf Eingangsspindeln 81,82,83 der Reibungs-Bremsaggregate 67,68, 69 aufgezogene Zahnscheiben 78, 79, 80 mitnimmt.

Die Zugkabel 42, 43, 44 sind mit Meßeinrichtungen für die auf dieselben ausgeübten Zugkraft ausgestattet. Die mit 84 bzw. 85 bzw. 86 bezeichneten Meßeinrichtungen sind aus Fig.6 ersichtlich. Die besagten Meßeinrichtungen sind über Leiter 87, 88, 89 mit in F i g. 1 und in F i g. 6 gezeigten Schwellenwertkomparatoren 90,91 und 92 verbunden, die das Einschreiten der Bremse des betreffenden Reibungs-Bremsaggregats 67, 68, 69 steuern.

Mit 94 und 95 sind die Lager der Umlenkscheibe 49 und mit % ist das Lager der Spinde! 55 bezeichnet. Mit 97 und 98 sind die Lager der Umlenkscheibe 50 und mit 99 ist das Lager der Spindel 56 bezeichnet. Schließlich sind mit 100 und 105 die Lager der Umlenkscheibe 51 und ist mit 106 das Lager der Spindel 52 bezeichnet.

Wenn ein Werkstück von den Fingern der mechanischen Hand erfaßt werden soll, wird der elektrische Motor 73 in Gang gesetzt und dessen Welle 75 nimmt über das Ritzel 76 und die Kette 77 die Zahnscheiben 78, 79, 80 und die Eingangsspindeln 81, 82, 83 der Reibungs-Bremsaggregate 67, 68, 69 mit Über die Reibungskupplungen der besagten Aggregate werden deren Ausgangsspindeln 64, 65 und 66 in Drehung versetzt und über die Kegelräderpaare 61-58, 62-59, 63-60 werden die Spindeln 55, 56, 57 der Mitnehmerscheiben 52, 53, 54 der Zugkabel 42, 43, 44 in Drehung versetzt.

Die Kabel wickeln sich auf deren Scheiben auf und üben dabei eine Mitnahmewirkung auf die Stäbe der Finger 10,11,12 entgegen der Wirkung der Spiralfedern 15, 19 und 23 der Gelenke derselben Stäbe aus. Diese Stäbe verrücken sich aus ihrer Ruhestellung und drehen

ίο sich zum Innern der mechanischen Hand zu derart, daß sie die Greifglieder 32,37 und 38 in Berührung mit dem zu ergreifenden Werkstück bringen. Beim Zunehmen der von den Kabeln ausgeübten Zugwirkung wachsen die von den Greifgliedern auf das Werkstück ausgeübten Lagerreaktionen bis diese Reaktionen die äußeren Kräfte, wie das Gewicht, die auf dieses Werkstück einwirken, aufwiegen.

Über einen gewissen Wert der Zugkraft hinaus, im Verhältnis zur Steifheit der Spiralfedern, haben die innersten Stäbe 104, 114 und 124 der drei Finger die Möglichkeit, in einem Sinne zu rotieren, der dem Drehungssinn der anderen Stäbe 101,102,103; 111,112, 113 und 121, 122,123 entgegengesetzt ist. Die von den einzelnen Kabeln ausgeübte Zugkraft wird über die betreffende Meßeinrichtung vom betreffenden Schwellenwert-Komparators erfaßt und wenn die Lagerrekation des einzelnen Greifglieds und mithin die Zugkraft des betreffenden Kabels den vorgeschriebenen Schwellenwert erreicht, steuert der Schwellenwert-Komparator das Einschreiten der Bremse des Reibungs-Bremsaggregats um das Kabel aufzuhalten und den betreffenden Finger in der Arbeitsstellung festzulegen, weiche ein stabiles Aufsetzen auf das Werkstück gewährt.

Wenn alle drei Finger in ihrer Arbeitsstellung festgelegt sind, wird auch der elektrische Motor 73 von der betreffenden Bremse 74 gehemmt. Die Kraftschwelle, die den Finger in der Arbeitsstellung festlegt, kann bei allen drei Fingern denselben Wert haben, hat aber vorzugsweise für jeden Finger einen verschiedenen Wert, um der mechanischen Hand eine größere Anpassungsfähigkeit an Werkstücke verschiedener Gestalt und Anordnung zu zu geben.

Wenn das Werkstück aus der Hand gegeben werden soll, werden die Bremsen der drei Reibungs-Bremsaggregate ausgeschlossen, während über die betreffenden Reibungskupplungen der elektrische Motor, in dem er sich im Gegensinn dreht, das Ablaufen der Kabel von deren Scheiben veranlaßt und so erreicht, daß die Stäbe der drei Finger unter der Rückholwirkung der Spiralfedern ihrer Gelenke in ihre Ruhestellung zurückkehren.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zum Ergreifen von Werkstücken geeignete mechanische Hand, umfassend Finger und ein diese Finger tragendes Glied, wobei jeder Finger aus einer Reihe von aneinandergelenkten Gliederstäben besteht, die durch vorgespannte elastische Mittel gegen Anschläge in einer offenen Ausgangsstellung haltbar sind, wobei der äußerste Stab eines jeden Fingers mit einem Greif glied versehen ist und umfassend ein jedem Finger zugeordnetes Zugkabel, welches am Endstab des jeweiligen Fingers befestigt ist, sich gieitbar an den entsprechenden Gliederstäben desselben Fingers abstützt und an die Greifkraft steuernden Antriebsmitteln angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zugkabel (42. 43, 44) der Finger (10_; 11, 12) mit einer Zugkraftmeßeinrichtung (84, 85, 86) verbunden ist und daß diese Meßeinrichtung über Leitungen (87, 88, 89) mit Schwellwertkomparatoren (90,91, 92) in Wirkverbindung stehen, durch die die Antriebsmittel steuerbar und die Zugkabel bei Erreichen eines vorbestimmten Wertes der Greifkraft arretierbar sind.

2. Mechanische Hand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zugkabel (42,43,44) ein eigenes Antriebsmittel (52, 67, 53, 68; 54, 69) zugeordnet ist.

3. Mechanische Hand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel eines jeden Fingers (10,11,12) aus einer Mitnehmerscheibe (52, 53, 54) zur Mitnahme des genannten Zugkabels (42, 43,44) und aus einem mit der Mitnehmerscheibe und mit einem Antriebsmotor (73) in Wirkverbindung stehenden Reibscheiben-Bremsglied (67, 68, 69) besteht.

4. Mechanische Hand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Finger (10,11,12) jeweils ein Greifglied (32,37,38) angeordnet ist, das aus zwei mit der Außenseite des Greifgliedes zugewandter Konvexität angeordneten Kreisbögen bestehende polyzentrische Gestalt hat, wobei die besagten beiden Kreisbögen über einen dritten Kreisbogen ineinander übergehen, dessen Konvexität dem Innern desselben Greifgliedes zugewandt ist.

5. Mechanische Hand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder aus vier aneinander gelenkten Stäben (101 bis 104; 111 bis 114; 121 bis 124) bestehende Finger (10, 11, 12) mit drei Spiralfedern (15, 19, 23) versehen ist, die vorgespannt sind und von denen jede über einen Zapfen (14,18,22) so auf die Stäbe einwirken, daß jeder Stab in bezug auf den benachbarten Stab in einem vorbestimmten Sinne bis zum Anschlag gegen Anschläge (17, 21, 25) verdreht wird, daß ein jeder Finger mit einer vierten vorgespannten Spiralfeder (29) versehen ist, die an einem Zapfen (26) angeordnet ist, der den besagten vierten Stab (104; 114; 124) mit einem Stützglied (27) verbindet, und die mit demselben vierten Stab und mit dem Stützglied (27) derart fest verbunden ist, daß der vierte Stab im entgegengesetzten Sinn bis zu einem Anschlag (31) verdreht wird.

6. Mechanische Hand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Soiralfedern (15, 19, 23, 29) unterschiedliche Steifigkeit besitzen, wobei der Wert der Steifigkeit von der mit dem Endstab in Eingriff stehenden Feder (15) zu der mit dem Innenstab in Eingriff stehenden Feder zunehmend anwächst und auch die Vorspannungen derselben Federn verschieden sind, indem der Wert der Vorspannung von der mit dem Endstab im Eingriff stehenden Feder zu der mit dem Innenstab in Eingriff stehenden Feder zunehmend anwächst