DE3751530T2 - Greifvorrichtung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Greifvorrichtungen und gibt in einer Ausführungsform eine Vorrichtung an, die die Bewegungen eines menschlichen Fingers fast vollständig nachahmt. Eine Verwendung der Erfindung ist es, die Hand eines Roboters anzugeben, die als Ersatz für eine menschliche Hand in einem Handschuh in einem Kasten mit Handschuh zur Handhabung gefährlicher, insbesondere radioaktiver Materialien oder Ausrüstung dient.
• In einer bekannten Ausführungsform einer Roboterhand werden die Finger von Kabeln geführt. Eine derartige Hand ist in einem Beitrag von S.C. Jacobson et al, "Design of the UTAH/MIT dextrous hand" beschrieben, der der IEEE Conference on Robotics and Automation, San Francisco, April 1986, eingereicht wurde. Kabelbetrieb verlangt einen großen Raumbedarf, die Bewegungen des Manipulators, dessen Teil die Hand ist, sind hinsichtlich Geschwindigkeit und Raum einschränkt, außerdem ist die Einbringung in einen Handschuh unpraktisch. Zusätzlich ergeben sich, insbesondere wegen des Kabelbetriebs Probleme, beispielsweise betreffen sie die Kabeldehnung und die Endverbinder. Da die vorliegende Erfindung keine Kabel verwendet, können die obigen Nachteile nicht auftreten.
• Bei einer Prothesenhand, wie sie noch früher in einem Beitrag von D. Jaksic "Mechanics of the Belgrade Hand" (Proc. 3rd Int. Symp. on External Control of Human Extremities, Dubrovnik, 25.-30. August 1969, S. 145-149) beschrieben wurde, und die als nächster Stand der Technik angesehen wird, weist jeder Finger eine Reihe von Abschnitten auf, die an einem benachbarten Abschnitt oder benachbarten Abschnitten oder einer Basis angelenkt sind. Die benachbarten Abschnitte sind mit Stäben derart verbunden, daß, wenn ein Finger mit einem Hebelsystem betätigt wird, wodurch der Abschnitt, der an der Basis angebracht ist, gedreht wird, sich die anderen Abschnitte ebenfalls relativ zueinander drehen. Die Drehung der Abschnitte relativ zueinander ist durch die Geometrie der Verbindungsstäbe festgelegt. Wenn also ein Abschnitt an der Drehung gehindert wird (beispielsweise dadurch, daß er auf einen unverrückbaren Gegenstand trifft), werden auch die anderen Abschnitte an einer Drehung gehindert.
• In einer weiteren, in DE-A-2823584 beschriebenen Vorrichtung vom Stand der Technik ist eine Reihe von Abschnitten aneinander angelenkt, wie das auch bei der "Belgrad-Hand" der Fall ist, und die benachbarten Abschnitte, eine Basis und ein angrenzender Abschnitt sind durch einzelne Hydraulikkolben und -zylinder miteinander verbunden. Im Betrieb werden alle Kolben- und Zylinderanordnungen synchron betätigt, so daß sich alle Abschnitte relativ zueinander zur gleichen Zeit drehen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Greifvorrichtung:
• einen unteren Fingerabschnitt, der um ein erstes Drehgelenk am unteren Ende relativ zu einer Basis drehbar ist, und mindestens einen oberen Fingerabschnitt, der um ein zweites Drehgelenk relativ zum unteren Fingerabschnitt drehbar ist,
• eine Antriebsvorrichtung, die auf der Basis für einen Antrieb der Fingerabschnitte angeordnet ist, und Verbindungsvorrichtungen zwischen der Antriebsvorrichtung und den Fingerabschnitten,
• dadurch gekennzeichnet, daß Elemente der Verbindungsvorrichtungen derart ausgeführt sind, daß sie den unteren und den ersten oberen Fingerabschnitt um das erste Drehgelenk ohne Drehung des ersten oberen Fingerabschnitts relativ zum unteren Fingerabschnitt drehen, Elemente der Verbindungsvorrichtungen, die derart ausgeführt sind, daß sie, wenn die Drehung des unteren Fingerabschnitts angehalten oder durch einen zu greifenden Gegenstand behindert wird, den ersten oberen Fingerabschnitt um das zweite Drehgelenk in Richtung auf den unteren Fingerabschnitt drehen, wodurch sie zur Ergreifung des Gegenstandes zwischen den Fingerabschnitten tendieren,
• wobei die Verbindungsvorrichtungen einen Ausgleichstab, der einen Zwischenpunkt aufweist, der von der Antriebsvorrichtung linear bewegbar ist, und eine erste Stange, die ein Ende des Stabes mit dem unteren Fingerabschnitt verbindet, und eine zweite Stange umfassen, die das andere Ende des Stabes mit einer auf der Basis drehbaren Kurbel verbindet, wobei die Kurbel über eine dritte Stange mit dem ersten oberen Fingerabschnitt verbunden ist, und die Geometrie der Verbindung derart ist, daß die mechanische Kraftverstärkung von der zweiten Stange wesentlich geringer als die der ersten Stange, wodurch die Anfangsdrehung des unteren Fingerabschnitts erzeugt wird, ohne daß sich der erste obere Fingerabschnitt relativ zum unteren Fingerabschnitt dreht.
• In einer Ausführungsform in enger Nachbildung der Bewegungen eines menschlichen Fingers ist ein zweiter oberer Fingerabschnitt, der um ein drittes Drehgelenk relativ zum ersten oberen Fingerabschnitt drehbar ist, und eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten oberen Fingerabschnitt angegeben, wodurch die Drehung des ersten um das zweite Drehgelenk die Drehung des zweiten um das dritte Drehgelenk erzeugt.
• Eine Roboterhand kann, wie im unmittelbar vorhergehenden Absatz definiert, vier Vorrichtungen umfassen, die relativ zu einer gemeinsamen Basis gedreht werden, und die Bewegungen der vier menschlichen Finger nachahmen. In einer Ausführungsform einer Hand umfaßt der Zeigefinger eine Greifvorrichtung, wie oben angegeben, die von einer Antriebsvorrichtung über eine der genannten Verbindungen betätigt werden kann, und die anderen drei Finger sind miteinander gekoppelt, wodurch sie gleichzeitig, aber unabhängig vom Zeigefinger von einer zweiten Antriebsvorrichtung über eine zweite Verbindung bewegt werden können.
• Die Antriebsvorrichtung kann ein Drehmotor oder können Drehmotoren sein. Die Erfindung wird nunmehr im folgenden anhand eines Beispiels unter Bezug auf Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
• Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Roboterhand, die die erfindungsgemäße Handflächenseite nach oben gerichtet zeigt, und wobei der Zeigefinger der niedrigste ist.
• Fig. 2 ist eine Seitenansicht der Hand von Fig. 1 entlang dem Zeigefinger.
• Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Ansicht des Fingerbetätigungsmechanismus in der Hand der Fig. 1 und 2.
• In den Fig. 1 und 2 umfaßt die Hand eine Basis 1, die fast der Fläche einer menschlichen Hand entspricht. Die vier Finger 2 weisen jeweils drei Abschnitte auf. Die unteren Abschnitte weisen jeweils zwei parallele Platten 3 auf, die an der Basis 1 an ersten Drehgelenken 4 (in Fig. 2 nicht sichtbar) drehbar befestigt sind. Die ersten oberen (oder mittleren) Abschnitte weisen jeweils zwei parallele Platten 5 auf, die an zweiten Drehgelenken 6 mit den entsprechenden Platten 3 drehbar verbunden sind, wobei die zweiten Drehgelenke einen Block 24 einschließen, der am Ende der Platten 3 befestigt ist. Die zweiten oberen (oder End-)Abschnitte weisen jeweils ein Gabelelement 7 auf, das an dritten Drehgelenken 8 drehbar mit den entsprechenden Platten 5 verbunden ist. (Das Drehgelenk 4 ist hinter einer Kurbel 21 angeordnet und in Fig. 2 nicht sichtbar). Jedes Element 7 ist über eine Stange 9 mit den entsprechenden Platten 5 verbunden, die an jedem Ende drehbar derart befestigt ist, daß eine Aufwärtsdrehung der Platten 5 um die ersten Drehgelenke 4, das heißt, in Richtung zur Handfläche, dazu führt, daß das Element 7 sich gleichzeitig in Richtung zur Handfläche um die dritten Drehgelenke 8 dreht.
• Die Linie 10 ist die Umrißlinie der Finger eines Handschuhs eines herkömmlichen Kastens mit Handschuh, in der die Hand steckt.
• Auf der Basis 1 ist ein kleiner bürstenloser Gleichstrommotor 11 angeordnet (hergestellt von Kollmorgan Corp, USA, vertrieben in GB durch Hightech Ltd), der mit einem Untersetzungsgetriebe 12 mit elliptischem Antrieb verbunden ist (geliefert von Harmonic Drives Ltd, Horsham, West Sussex). Mit dem Motor 11 ist ein optischer Inkremental-Encoder 33 (360 Impulse/Umdrehungen) verbunden, der das Feedback über die Motorstellung für das Handsteuersystem liefert (nicht gezeigt). Eine Verbindungsstange 13 verbindet einen Stift auf einer Scheibe 14, die auf der Ausgangswelle des Getriebes angeordnet ist, mit einem Stift auf einer Traverse 15, die auf zwei parallen Stangen 16 gleitet, wobei Linearlager verwendet werden, s. auch Fig. 3.
• Eine Stange 17 ragt starr von der Traverse 15 auf und ist mit einem Stift in der Mitte (in diesem Beispiel) entlang einem Ausgleichsstab 18 verbunden (wie er beispielsweise bei Hinterachsbremssystemen von Fahrzeugen verwendet wird), so daß der Stab frei um das Ende der Stange 17 schwenkt. Eine Stange 19 (die oben angegebene erste Stange) verbindet einen Stift am oberen Ende des Stabes 15 mit einem Stift, der an der oberen Kante einer der Platten 3 des in Fig. 2 gezeigten Zeigefingers angeordnet ist, und der um beide Stifte schwenkbar ist. Eine Stange 20 (die oben angegebene zweite Stange) verbindet auf die gleiche Weise einen Stift am unteren Ende des Stabes 18 mit einer dreieckigen Kurbel 21, die an Punkt 22 der Basis 1 drehbar angeordnet ist, und eine Stange 23 (die oben angegebene dritte Stange) verbindet auf die gleiche Weise die Kurbel 21 mit einem Stift an einer der Platten 5 des Zeigefingers. Die Stange 23 ist am Drehgelenk 35 auf der Kurbel 21 angeordnet (in Fig. 1 nicht zu sehen), wobei die ersten Drehgelenke 4 und das Drehgelenk 35 im wesentlichen colinear (aber getrennt) sind, wenn der Finger gerade ist.
• Die obige Anordnung arbeitet wie folgt. Wie gezeigt, ist der Zeigefinger 2 ganz ausgestreckt, die Traverse 15 befindet sich am rechtshändigen Ende ihres Verfahrweges. Wenn nun der Motor 11 eingeschaltet wird, so daß die Traverse durch die Stange 13 nach links bewegt wird, wird durch die Stange 17 der Ausgleichsstab 18 nach links gezogen. Dadurch üben die Stangen 19 und 20 auf die Stäbe 3 bzw. die Kurbel 21 einen Zug aus, jedoch ist primär wegen der Geometrie der Anordnung die mechanische Kraftverstärkung vom Stab 19 größer als vom Stab 20 (der senkrechte Abstand vom Drehgelenk 22 zur Achse des Stabes 20 ist nämlich geringer als der äquivalente Abstand vom ersten Drehgelenk 4 zum Stab 19). Durch die bekannte Wirkung des Ausgleichsstabes 18 bleibt der Finger gerade, dreht sich aber nach oben um die ersten Drehgelenke 4 des unteren Abschnitts. Wenn nun die Bewegung des unteren Fingerabschnitts nach oben, das heißt, der Platten 3, angehalten oder ihr ein starker Widerstand entgegengesetzt wird, indem ein Gegenstand, beispielsweise ein Stab 25 (im Schnitt gezeigt), im Weg steht, überträgt der Ausgleichsstab 18 den Zug auf die Stange 20, der über die Kurbel 21 auf die Stange 23 übertragen wird, wodurch der mittlere Fingerabschnitt, das heißt, die Platten 5, veranlaßt werden, sich um die zweiten Drehgelenke 6 zu drehen, und der Endabschnitt, das heißt, das Element 7, sich gleichzeitig um die dritten Drehgelenke 8 dreht. Auf diese Weise schließen sich die drei Fingerabschnitte um den Stab 25 und ergreifen ihn.
• Wenn sich danach der Stab 25 wieder frei bewegen kann, geht der Zug, trotz der Last, beispielsweise dem Gewicht des Stabes, und wenn der Motorantrieb weiterläuft, zur Stange 19 zurück, und die Aufwärtsbewegung des nun geschlossenen Fingers wird fortgesetzt, sie erreicht schließlich, falls erwünscht, die in 26 gezeigte Endposition. (Normalerweise ist der Finger in der vorliegenden Anmeldung vom Handschuh 10 bedeckt.) Die Endpositionen von Stange 9 und 23 sind mit durchbrochenen Linien angegeben. Es ist ersichtlich, daß die Bewegung des Fingers 2 die Bewegung eines menschlichen Fingers nachahmt, bei dem sich ebenfalls der mittlere und der obere Abschnitt auf natürliche Weise gleichzeitig biegen.
• Bei der gezeigten Hand werden die anderen drei Finger 2 von einem ähnlichen, am "kleinen Finger" angebrachten und in den Fig. 1 und 3 gezeigten (mit den entsprechenden Bezugsziffern bezeichneten) Mechanismus gleichzeitig aber unabhängig vom Zeigefinger betätigt. Fig. 3 zeigt, auf welche Weise die Kurbel 21' über die Wellen 27 und 28 mit der Kurbel 29 gekoppelt ist, die wiederum mit den entsprechenden Stangen 23" der zwei Mittelfinger verbunden ist. Wie bei einer menschlichen Hand sind die ersten Drehgelenke 4' des kleinen Fingers ein wenig hinter das Drehgelenk der anderen drei Finger versetzt, wodurch zwischen einer Kurbel 31 auf der Welle 27 und der benachbarten Kurbel 29 auf der Welle 28 eine zusätzliche kleine Verbindungsstange 30 erforderlich ist. (Wenn andere Fingerdrehgelenke für besondere Anwendungen ähnlich versetzt angeordnet sind, ist/sind eine andere Stange oder Stangen 30 erforderlich.)
• Ein dritter Motor 32 mit Encoder und Untersetzungsgetriebe ist zum Drehen eines "Daumens" (nicht gezeigt) angeordnet. In diesem Beispiel hat der Daumen kein Gelenk und ist nur an seinem unteren Ende gelenkig verbunden, ist aber leicht gebogen. Sein Drehgelenk ist derart relativ zu den ersten Drehgelenken 4 des Zeigefingers angeordnet, daß es möglich ist, Gegenstände zwischen den entsprechenden Enden aufzunehmen.
• Obwohl die Bewegung der Finger primär von der unterschiedlichen, von den Stangen 19 und 20 erzeugten mechanischen Kraftverstärkung abhängt, was sich aus der Geometrie der Anordnung ergibt, und insbesondere von der größeren Drehbewegung um das erste Drehgelenk 4 über die Stange 19 als um das zweite Drehgelenk 6 über die Stange 20, die Kurbel 21 und die Stange 23, spielen auch teilweise die größeren Reibungskräfte, die im letzteren Falle vorhanden sind, und die Steifheit des Handschuhs, in dem die Finger stecken, eine Rolle. Es kann somit erforderlich sein, die Hand zur Erzielung einer optimalen Leistung "einzustellen", und eine der Einstellungen, die zu diesem Zweck erfolgen kann, ist der Ort der Anbringung der Stange 17 am Ausgleichsstab 18, der entlang der Stange variieren kann. (Bei Verwendungen ohne Handschuh kann eine derartige Steifheit durch Hinzufügen von Federn zum Mechanismus (nicht gezeigt) erzielt werden.)
• Bei der oben beschriebenen Hand wird die Antriebsvorrichtung durch Drehmotoren gebildet. Alternativ dazu können auch lineare Stellglieder verwendet werden, die beispielsweise direkt mit der Traverse 15 verbunden sind. Diese Stellglieder können elektrische, hydraulische oder pneumatische Stellglieder sein.
• Die vorliegende Greifvorrichtung kann andere, einen menschlichen Finger nachahmende Formen aufweisen, sie muß auch nicht Teil einer Vorrichtung sein, die eine menschliche Hand nachbildet. Beispielsweise kann sie anstelle von drei nur zwei Fingerabschnitte umfassen, wobei der obere Abschnitt der zwei Fingerabschnitte selbst starr ist, aber beispielsweise gebogen ist, um zu ermöglichen, daß ein Gegenstand zwischen dem oberen und dem unteren Fingerabschnitt ergriffen werden kann. Die Vorrichtung kann auch mehr als drei einzeln drehbare Abschnitte umfassen, wobei der vierte mit dem dritten Abschnitt über eine Stange gekoppelt ist, die der Stange 9 entspricht, usw. usf. bei jedem weiteren Abschnitt. Der Daumen einer einer menschlichen Hand nachgebildeten Hand kann gemäß der vorliegenden Vorrichtung, statt starr zu sein, wie bei der beschriebenen Hand, auch in einer Ausführungsform mit zwei Abschnitten ausgeführt sein.

Claims (5)

1. Greifvorrichtung mit:

einem unteren Fingerabschnitt (3), der um ein erstes Drehgelenk (4) am unteren Ende relativ zu einer Basis (1) drehbar angeordnet ist, und mindestens einem oberen Fingerabschnitt (5), der um ein zweites Drehgelenk (6) relativ zum unteren Fingerabschnitt (3) drehbar angeordnet ist,

einer Antriebsvorrichtung (11), die auf der Basis zum Antrieb der Fingerabschnitte (3, 5) angeordnet ist, und mit Verbindungsvorrichtungen (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 35) zwischen der Antriebsvorrichtung (11) und den Fingerabschnitten (3, 5),

dadurch gekennzeichnet,

daß Elemente (15, 18, 19) der Verbindungsvorrichtungen (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 35) derart ausgeführt sind, daß sie den unteren (3) und den ersten oberen Fingerabschnitt (5) um das erste Drehgelenk (4) ohne Drehung des ersten oberen Fingerabschnitts (5) relativ zum unteren Fingerabschnitt (3) drehen,

daß sie des weiteren Elemente (18, 20, 21, 23) der Verbindungsvorrichtungen aufweisen, die derart ausgeführt sind, daß sie, wenn die Drehung des unteren Fingerabschnitts (3) angehalten oder durch einen zu greifenden Gegenstand (2) stark behindert wird, den ersten oberen Fingerabschnitt (5) um das zweite Drehgelenk (6) in Richtung auf den unteren Fingerabschnitt (3) drehen, wodurch sie zum Ergreifen des Gegenstandes (25) zwischen den Fingerabschnitten (3, 5) tendieren,

die Verbindungsvorrichtungen (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 35) einen Ausgleichstab (18), der einen Zwischenpunkt aufweist, der von der Antriebs- Vorrichtung (11) linear bewegbar ist, und eine erste Stange (19), die ein Ende des Stabes (18) mit dem unteren Fingerabschnitt (3) verbindet, und eine zweite Stange (20) umfassen, die das andere Ende des Stabes (18) mit einer auf der Basis (1) drehbaren Kurbel (21) verbindet, wobei die Kurbel (21) über eine dritte Stange (23) mit dem ersten oberen Fingerabschnitt (5) verbunden ist, und die Geometrie der Verbindung derart ist, daß die mechanische, von der zweiten Stange (20) erhaltene Kraftverstärkung wesentlich geringer als die von der ersten Stange (19) erhaltene Kraftverstärkung ist, wodurch die Anfangsdrehung des unteren Fingerabschnitts (3) erzeugt wird, ohne daß der erste obere Fingerabschnitt (5) relativ zum unteren Fingerabschnitt (3) gedreht wird.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die die Bewegungen eines menschlichen Fingers fast vollständig nachahmt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter oberer Fingerabschnitt (7), der um ein drittes Drehgelenk (8) relativ zum ersten oberen Fingerabschnitt (5) drehbar ist, und eine Verbindung (9) zwischen dem ersten und dem zweiten oberen Fingerabschnitt (5, 7) angegeben ist, wodurch die Drehung des ersten (5) um das zweite Drehgelenk (6) die Drehung des zweiten (7) um das dritte Drehgelenk (8) erzeugt.

3. Roboterhand, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie gemäß Anspruch 2 vier Vorrichtungen aufweist, die auf einer gemeinsamen Basis (1) drehbar angeordnet sind, und die Bewegungen der vier menschlichen Finger nachbilden.

4. Roboterhand gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeigefinger eine erste Greifvorrichtung umfaßt, die von einer Antriebsvorrichtung (11) über eine Verbindung (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 35) betätigt werden kann, und die anderen drei Finger drei weitere Greifvorrichtungen umfassen, die miteinander gekoppelt sind, wodurch sie gleichzeitig, aber unabhängig vom Zeigefinger von einer zweiten Antriebsvorrichtung (11') über eine zweite Verbindung (12', 13', 14', 15', 16', 17', 18', 19', 20', 21', 22', 23') betätigt werden können.

5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebsvorrichtung ein Drehmotor ist oder Drehmotoren sind.