-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für
eine hydraulisch oder pneumatisch betriebene Greif- oder
Haltevorrichtung mit daran befestigten Greif- oder
Halteteilen. Als Beispiel ist die Anordnung in Form einer
sogenannten "Roboterhand" mit zwei oder mehreren
"Roboterfingern" vorgesehen. Greif- und Haltevorrichtungen
sind in bezug auf ein zu greifendes oder zu haltendes
Objekt aus einem gebogenen Greif- oder Haltemodus in einen
gestreckten Freigabemodus einstellbar und umgekehrt.
-
Die vorliegende Erfindung findet allgemein Anwendung als
Greif- oder Haltevorrichtung und insbesondere als
Roboterhand, die im Bereich der Technik verschiedentlich
eingesetzt werden kann. Jedoch ist die Erfindung nicht auf
solch technische Anwendungen beschränkt, sondern kann
beispielsweise auch als Handprothese von Personen mit
einer zerstörten oder fehlenden Hand benutzt werden.
-
Bisher basierte eine solche Greif- oder Haltevorrichtung
auf einem elektro-mechanischen Betrieb, um den
gewünschten Greif- und Haltevorgang zu bewirken. Solch bekannte
Vorrichtungen (Zangen oder dergleichen) waren kompliziert
und teuer sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb
und fanden deshalb nicht in dem gewünschten breiten Maße
Anwendung. Auch muß erwähnt werden, daß solche
Vorrichtungen besonders empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen
sind und sich deshalb für relativ "schmutzige" Umgebungen
und solche, in denen die Vorrichtung durch aktive
Flüssigkeiten beeinträchtigt werden kann, nicht eignen. Ein
weiteres Problem ist, daß solche Vorrichtungen von
Sensoren zur Rückmeldung von der/den Greiffläche/n zu dem
Regelsystem abhängig sind, insbesondere in Fällen, in denen
das zu greifende oder zu haltende Objekt mit Vorsicht und
schonend zu behandeln ist.
-
Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Vermeidung der
vorgenannten Probleme durch Bereitstellung einer relativ
einfachen und zuverlässigen Lösung. Da Konstruktion und
Betriebsweise einfach sind, läßt sich die Lösung in
weiten Bereichen anwenden. Während man bezweckt, spezielle
Sensoren zu vermeiden, ist das Ziel die Erzeugung einer
gleichmäßigen und kontrollieren Aktion auf das zu
greifende oder zu haltende Objekt.
-
In der US 4 815 782 ist eine Zangenvorrichtung mit einem
Arm vorgeschlagen, der aus einem endseitig geschlossenen,
aufblasbaren Rohr aus elastischem Material gebildet ist.
Das Rohr hat eine Vielzahl von im allgemeinen parallelen,
in Längsrichtung beabstandeten Bändern, die rund um
dieses angeordnet sind und die radiale Ausdehnung des Arms
begrenzen, wenn dieser aufgeblasen ist. Ein in
Längsrichtung unelastisches, seitlich flexibles Band, das an der
Oberfläche des Arms angeordnet ist, bewirkt, daß sich der
Arm bei Aufblasen um das zu greifende Objekt herumlegt.
Der Grad des Aufblasens des Arms bestimmt die Greifkraft
und Geometrie der Vorrichtung.
-
Durch Verwendung elastischen Rohrmaterials in Kombination
mit einem unelastischem, seitlich flexiblen Band wird ein
Hauptteil der Aufblaskraft zur Dehnung oder Verformung
des elastischen Rohrmaterials und zum Biegen des
unelastischen seitlichen Bandes in eine gekrümmte Form
genutzt, während die Greifkraft der Greifvorrichtung, wenn
diese das zu greifende Objekt umschließt, entsprechend
verringert wird. Es ist auch ein Problem, ohne die
Verwendung von speziellen Sensoren für eine exakte
Greifkraft zu sorgen.
-
Erfindungsgemäß ist die Anordnung dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Gehäusesektion und die Trennsektion aus
einem weichen und flexiblen Material hergestellt sind und
daß die zweite Gehäusesektion aus einem ziemlich harten
flexiblen Material hergestellt ist, das
Versteifungselement eingliedert, eine Wanddicke hat, die mehr als zwei-
bis dreimal größer ist als die Dicke der ersten
Gehäusesektion bzw. der Trennsektion, und eine axiale Länge
besitzt, die kleiner ist als jene der ersten
Gehäusesektion, während das Volumen der ersten Gehäusekammer
wesentlich größer und vorzugsweise vier- bis fünfmal größer
ist als das Volumen der zweiten Gehäusekammer, und daß
das Gehäuse im unbeladenen Zustand eine Position zwischen
einer maximal gebogenen und einer maximal gestreckten
Position einnimmt.
-
Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung und
insbesondere, daß die axiale Länge des zweiten Gehäuses kleiner
ist als jene des ersten Gehäuses, bringt den Vorteil
gegenüber dem Stand der Technik, daß die Einstellung des
Greifers in die gebogene Lage weniger mühsam ist. Das
bedeutet, daß ein größerer Teil der Kraft für das Greifen
des Objekts verbleibt und daß außerdem die Greifkraft in
der Praxis eine genauere Einstellung erlaubt.
-
Insofern als im Zusammenhang mit der Erfindung eine ein
Druckmedium enthaltende Arbeitskammer in Verbindung mit
einem relativ weichen und flexiblen Gehäusematerial
gewählt wurde, imitiert die Erfindung die Eigenschaften der
menschlichen Hand, soweit Haut, Muskeln etc. betroffen
sind, so daß die Anordnung lokal den Umgebungen und den
Bedürfnissen entsprechend problemlos angepaßt werden
kann. Durch Verwendung eines flexiblen oder gelenkigen
Versteifungselements in dem oben genannten Gehäuse ist es
in gleicher Weise möglich, die Eigenschaften der
menschlichen Hand zu imitieren, wenn es um Gelenke,
Bänder und Sehnen geht, so daß die Anordnung auch im
Hinblick auf Steifigkeit und Festigkeit eingestellt werden
kann.
-
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich,
eine Lösung zu erzielen, die, was die Statur und die
Eigenschaften des Benutzers anbelangt, bis zu einem
wesentlichen Grad den Aufbau und die Arbeiten der menschlichen
Hand imitieren kann. In den meisten Fällen, in denen die
menschliche Hand eine Greif-, Halte- oder Hebefunktion
ausführen soll, ist es nicht eine Frage, jeden Finger
getrennt und einen nach dem anderen, Gelenk für Gelenk zu
bewegen, sondern die Finger vielmehr zusammen in einem
gemeinsamen Griff mit der auf die Form des zu greifenden
oder zu haltenden Objekts eingestellten Greifkraft zu
bewegen, und zwar mit einer mehr oder weniger gleichmäßigen
Quetschkraft zwischen jedem Finger und dem zu greifenden
oder zu haltenden Objekt. Dadurch bewegen sich alle
Finger gleichzeitig in einen geschlossenen (gekrümmten)
Modus oder gleichzeitig aus dem geschlossenen Modus heraus
in einen mehr gestreckten Modus. Ein ähnlicher Effekt
wird auf einfache Weise mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Roboterhand erzielt. Bei der Schließbewegung der
Roboterhand endet die Biegung der Roboterfinger, sobald der
Druck des Teils gegen das Objekt eine gewisse Höhe
erreicht hat, und zwar geregelt durch eine entsprechende
Bewegung der Teile anderer Roboterfinger oder anderer
Teile der Roboterhand.
-
Gemäß der Erfindung wird für das vorstehend genannte
Druckmedium bevorzugt, daß dieses ein gemeinsames
Arbeits-Druckmedium für die Greif- und Halteteile ist, so
daß eine gleichmäßig verteilte Klemmkraft auf jedes der
Greif- und Halteteile ausgeübt wird. So läßt sich auf
einfache Weise eine Wirkung erzielen, die im großen und
ganzen den Funktionen einer menschlichen Hand entspricht,
wenn diese ein Objekt umschließt, das zu greifen oder zu
halten ist.
-
Erfindungsgemäß ist es möglich, eine gemeinsame
Druckmediumquelle für alle durch die Greif- und Haltevorrichtung
auszuführenden Bewegungen zu verwenden, und zwar
einschließlich aller möglichen Einzelbewegungen, die das
einzelne Greif- und Halteteil in Verbindung mit seinem
Angriff an einem zu greifenden oder zu haltenden
gemeinsamen Objekt auszuführen hat. Darüber hinaus ist es
möglich, einen einfachen gemeinsamen Regler
(Druckregelvorrichtung) zur Steuerung des Drucks entsprechend dem
Bedarf oder zur Umkehr der Verbindung zwischen der(den)
Druckkammer(n) und der Druckmediumquelle oder der
Druckentlastungsquelle zu verwenden.
-
Indem man die Anordnung bei vorliegender Erfindung als
innen versteifte Vorrichtung ähnlich einem Gummihandschuh
mit einer der menschlichen Hand ähnlichen oder im
allgemeinen ähnlichen Form auslegt, erhält man ein handliches
Werkzeug, das bei Versorgung einer damit verbundenen
(ersten) Kammer mit einem Druckmedium mehr oder weniger
wie eine geschlossene Hand oder aber als geöffnete Hand
wirkt, wenn das Druckmedium aus der angeschlossenen
Kammer abgezogen wird. Zur Unterstützung der Schließ- und
Öffnungsbewegungen der Vorrichtung kann eine zweite
Kammer in Verbindung mit der ersten Kammer verwendet und in
ähnlicher Weise das Druckmedium aus einer zweiten Kammer
abgezogen werden, wenn die erste Kammer mit Druckmedium
versorgt wird, oder der zweiten Kammer ein Druckmedium
zugeführt werden, wenn das Druckmedium aus der ersten
Kammer abgezogen wird.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den
Zeichnungen.
-
Darin zeigt:
-
Figur 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Anordnung, die in Verbindung mit einer
eine menschliche Hand (Roboterhand) imitierenden
Greif- und Haltevorrichtung dargestellt ist;
-
Figur 2 eine Seitenansicht, zum Teil im Querschnitt,
eines ersten Ausführungsbeispiels eines im
gestreckten Modus befindlichen Greif- und
Halteteils (Roboterfingerteils), das einen Teil der
in Figur 1 gezeigten Vorrichtung bildet.
-
Figur 3 eine Figur 1 gleichende Darstellung, in der das
Teil im gekrümmten Modus gezeigt ist;
-
Figur 4 einen Querschnitt durch ein Teil gemäß Figur 2;
-
Figur 5 eine Abwandlung des Halteteils entsprechend
Figur 3;
-
Figur 6, 7 und 8 ein zweites Ausführungsbeispiel in
Umriß- und Schnittdarstellungen, die den Figuren
2, 3 und 4 entsprechen.
-
Nachfolgend wird die Anordnung mit Verwendung von
Hydrauliköl als Druckmedium beschrieben, jedoch ist
verständlich, daß mit entsprechend angepaßten Bauteilen
verdichtete Luft als Druckmedium verwendet werden kann, wobei
die Vorteile dann dieselben sind.
-
In Figur 1 ist eine Druckmediumquelle oder ein
Druckmediumbehälter 10 mit einer Rohrverbindung 11 zu einem
Druckregler 12 und mit einer weiteren Rohrverbindung 13
von dem Druckregler 12 zu dem Einlaß 15 eines
Vierwegeventils 14 gezeigt. Von dem Ventil 14 führt eine
Rohrverbindung 17 von dem Entlastungsauslaß 16 über eine bei
Position 10a angegebene Druckentlastungsquelle zurück zu
dem Behälter 10. Ferner führt von einem ersten
Ventilauslaß 18 eine Rohrverbindung 19 zu einer ersten
Arbeitskammer 20 in einer Greif- und Haltevorrichtung, die in Form
einer Roboterhand 21 mit fünf Roboterfingern 21b-21f
dargestellt ist. Bei Position 12a befindet sich ein Rad zu
Einstellung des Drucks des Mediums in dem Druckregler 12
und bei Position 14a ein Griff zur Steuerung der Zufuhr
des Druckmittels zu oder zum Abzug des Druckmittels aus
den Auslässen 18 und 22 und zur Steuerung der Menge des
Druckmediums zu und aus den Auslässen und den
benachbarten Kammern 20 und 24.
-
Die Roboterhand 21 ist in Figur 1 mit einem
Roboterhandgehäuse 25 und auch mit einer den Handteller und den
Handrücken imitierenden Kammersektion 20a und mit Finger
20b,20c,20d, 20e, 20f imitierenden fünf Kammersektionen
gezeigt, die miteinander und mit der Sektion 20a
kommunizieren. In den Kammersektionen 20a-20f, das heißt in
einer ersten Kammer 20, befindet sich eine zweite Kammer 24
mit einer Hand-Kammersektion 24a und fünf
Finger-Kammersektionen 24b,24c,24d,24e, 24f, die untereinander und mit
der Sektion 24a kommunizieren.
-
Mit Hilfe des Ventils 14 ist es möglich, die Vorrichtung
mit einer gewünschten Menge eines Druckmediums zu der
einen Kammer, beispielsweise der Kammer 20, zu versorgen,
während gleichzeitig eine entsprechende Menge oder eine
darauf eingestellte Menge des Druckmediums aus der
zweiten Kammer, das heißt der Kammer 24, abgeführt wird und
umgekehrt. Dadurch kann man die Flexion oder Streckung
der Roboterhand 21 je nach Notwendigkeit einstellen. Die
einzelnen Sektionen der Roboterhand und Roboterfinger
können in Anpassung an die Form des zu greifenden oder zu
haltenden Objekts getrennt gekrümmt werden, das heißt mit
einer gleichmäßigen Verteilung der Kraft auf die
einzelnen Sektionen, während diese sich an die einzelnen
lokalen Bereiche des Objekts anlegen und sich gegen dieses
versetzen. In ähnlicher Weise ist es durch Ableiten des
Druckmediums aus dieser einen Kammer und durch Zuleiten
des Druckmediums zur anderen Kammer möglich, den Grad der
Streckung der Roboterhand und Roboterfinger einzustellen.
Die durch die lokalen Sektionen der Roboterhand ausgeübte
effektive Kraft kann kollektiv durch den Regler 12
gesteuert werden.
-
Damit man die gewünschte Flexion oder Streckung der
Roboterhand erreicht, benötigt man eine spezielle,
kontrollierte Versteifung der lokalen Bereiche der Roboterhand.
-
Nachfolgend wird eine solche Versteifung im Zusammenhang
mit einem Roboterfinger beschrieben, jedoch ist klar,
ohne dies im Detail zu zeigen, daß die Handteller-Sektion
20a,24a der Roboterhand ebenfalls versteift werden kann,
möglicherweise in Verlängerung einer Versteifung der
verschiedenen Roboterfinger. Es ist auch möglich, daß man
gewisse Bereiche der Handteller-Sektionen 20a,24a sich
unbeweglich versteifen läßt, während andere Bereiche der
Handteller-Sektion 20a,24a auf flexible Art versteift
werden können, entsprechend den Finger-Sektionen.
-
Die Figuren 2 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel
mit einem äußeren weichen und flexiblen Gehäuse 25'. Das
Gehäuse 25' ist der Länge nach in eine längliche erste
Kammer 20b mit einem relativ großen Volumen und in eine
längliche zweite Kammer 24b mit einem kleineren Volumen
unterteilt. Die Kammer 20b kann beispielweise ein Volumen
aufweisen, das vier- bis fünfmal so groß ist wie das
Volumen der Kammer 24b. Der Rücken des Gehäuses der oben
genannten ersten Kammer 20b ist mit einer weichen,
blasebalgförmigen Gehäusesektion 25a ausgestattet, während er
auf der gegenüberliegenden Seite mit einer flexiblen,
weichen Sektion 25b ausgestattet ist, die eine Trennwand
bildet. Die zweite Kammer 24b befindet sich zwischen der
ersten Kammer 20b und der Innenseite des Gehäuses, wo
eine flexible Gehäusesektion 25c gezeigt ist. Wie in
Figur 4 dargestellt, sind die Gehäusesektion 25a, die
Trennsektion 25b und die Gehäusesektion 25c durch einen
Verbindungsbereich 25d mit geringer Breite b" miteinander
verbunden sind. Die Gehäusesektion 25a und die
Trennsektion
25b haben eine Dicke a, die um die Hälfte und
vorzugsweise um ein Drittel kleiner ist als die Dicke a' der
Gehäusesektion 25c. Genauer ausgedrückt, hat die
Gehäusesektion 25' eine Dicke a', die in dem Bereich eines
Zehntels bis Zwanzigstels der Breite b' der
Gehäusesektion 25c liegt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat
das in Figur 2 dargestellte Gehäuse 25', wenn es unter
Druck steht, eine Breite b (im allgemeinen entsprechend
der Breite b' der Gehäusesektion 25c), die etwa ein
Viertel der Länge des Gehäuses 1 beträgt. Bei verschiedenen
Ausführungsformen kann die vorgenannte Breite zum
Beispiel zwischen einem Drittel und einem Zehntel der Länge
des Gehäuses 1 variieren. Die relativ harte aber flexible
Gehäusesektion 25c erstreckt sich entlang des größten
Teils der Länge des Gehäuses 1 und vorzugsweise mit mehr
oder weniger gleichmäßiger Dicke über die gesamte Länge
und über die gesamte Breite, mit Ausnahme der
Endkantenbereiche und der Seitenkantenbereiche, in denen die
Gehäusesektion 25c eine gleichmäßig abnehmende Trenndicke
am Übergang zu den angrenzenden Gehäusesektionen bildet.
Mit Hilfe der transversalen, relativ harten flexiblen
Gehäusesektion 25c, die aber eine Krümmungsebene P (Figur
4) hat, wird ein Versteifungselement in dem Gehäuse 25'
gebildet. Dieses Versteifungselement darf sich in der
vorgenannten Ebene P (Krummungsebene) wie in Figur 4
gezeigt biegen, doch wird es an einer Biegung in zu der
vorgenannten Ebene P rechtwinkeligen Richtungen
gehindert.
-
In einer abgewandelten Form ist es auch möglich, daß die
Gehäusesektion 25c', wie in Figur 5 gezeigt, mit
eingeschnürten Abschnitten 27a,27b,27c ausgestattet ist, die
Pendelgelenke in gewissen Abschnitten der Länge der
Gehäusesektion 25c' bilden. In solchen Fällen können die an
die eingeschnürten Abschnitte angrenzenden Bereiche
28a,28b,28c,28d der Gehäusesektion 25c' relativ fest sein
und nur über ein Minimum an Flexibilität verfügen.
-
Figur 2 zeigt die Gehäusesektion 25a in einem Modus, in
dem die Fingerkammer 20b eine Druckentlastungsposition
einnimmt und die Gehäusesektion 25a einen
Blasebalgbereich aufweist, der in einem axial kollabierten Modus
gezeigt ist. In diesem Modus nimmt die Fingerkammer 24b
ihren voll druckbeladenen Zustand ein, in dem die Trennwand
25b und die Gehäusesektion 25c sowohl der Länge als auch
der Breite nach maximal gestreckt sind.
-
Figur 3 zeigt die Fingersektion 21b, nachdem Druck aus
der Fingerkammer 24b abgelassen und die Trennsektion 25b
mit Hilfe der druckbeladenen Fingerkammer 20b gegen die
Gehäusesektion 25c gedrückt wurde. In diesem Modus ist
die flexible Gehäusesektion 25c, wie in Figur 3 gezeigt,
(oder die glenkig ausgebildete Gehäusesektion 25c', wie
in Figur 5 gezeigt) mehr oder weniger in eine C-Form
umgebogen, das heißt in eine Kurve, die durch den Grad
bestimmt wird, bis zu welchem die Fingerkammer 20b gefüllt
ist, und durch den Grad, bis zu welchem die Fingerkammer
24b geleert ist.
-
Figur 4 zeigt einen Querschnitt des Gehäuses 25 mit einer
mittleren Beladung sowohl der Fingerkammer 20b als auch
der Fingerkammer 24b.
-
Die alternative Ausführung ist in einer Weise
dimensioniert und konstruiert, die jener entspricht, die in den
Figuren 2 bis 4 und 5 gezeigt ist, wo aber das Gehäuse
125 mit einer einzigen Fingerkammer 120b gezeigt ist, da
die der in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Trennung 25b
entsprechende Trennung entfällt. In dieser Ausführung ist
die Gehäusesektion 125a mit sektional angeordneten
Querrippen 30 und dazwischenliegenden, eine Membrane
bildenden Sektionen 31 dargestellt. In diesem Fall erreicht
man, wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt, einen
Blasebalgeffekt, der jenem der Figuren 2 und 3 entspricht, sich
jedoch insofern unterscheidet, als eine radiale
Ausdehnung nur in den Sektionen 31 erreicht wird, während die
Rippen 30 eine stabile Form annehmen. Mit Hilfe eines
interaktiven Effekts zwischen der flexiblen aber ansonsten
festen Gehäusesektion 125c und den Rippen 30 erreicht man
eine ähnlich gelenkbildende Wirkung wie an den
eingeschnürten Bereichen 27a,27b,27c in der Gehäusesektion
25c' in Figur 5 gezeigt. In dem in den Figuren 6 bis 8
gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gehäusesektion 125c
mit einer in dieses eingebauten Blattfeder 32 speziell
versteift, wobei sich eine solche Feder über den Großteil
der Länge und Breite der Gehäusesektion 125c erstreckt,
wie das in Figur 8 dargestellt ist.
-
In dem vorstehend genannten zweiten Ausführungsbeispiel
erreicht man eine Flexion (Figur 7) oder Streckung (Figur
6) des Gehäuses 125 alleine durch Laden oder Entladen von
Druck in die oder aus der Fingerkammer 120b. Dies wird
durch die Tatsache sichergestellt, daß die Blattfeder 32
die dargestellte Biegung oder Flexion der Gehäusesektion
125c durch Laden von Druck in die Fingerkammer 120b
erlaubt, während die Entladung von Druck aus der
Fingerkammer 120b die Rückkehr der Gehäusesektion in die in Figur
6 dargestellte Position sicherstellt.
-
Anstatt die Blattfeder 32 wie dargestellt anzubringen,
das heißt eingebettet in die Gehäusesektion 125c, ist es
zum Beispiel möglich, die Blattfeder an der
Gehäusesektion
125c nur an den Enden anzubringen und ansonsten die
Blattfeder sich innerhalb der Fingerkammer 120b frei
bewegen zu lassen. In diesem Fall ist es möglich, die
Gehäusesektion 125c zwischen den Punkten, an denen die
Blattfeder angebracht ist, unter Verwendung eines
weicheren Wandmaterials oder eines eine Blasebalgform
annehmenden Wandmaterials mit geringerer Dicke auszulegen, so daß
diese gefaltet oder gekräuselt werden kann, wo die
Versteifung dies erfordert.
-
Obwohl konkrete Ausführungsbeispiele dafür hier nicht
gezeigt sind, ist es selbstverständlich, daß die oben
genannten Lösungen in verschiedener Weise kombiniert werden
können, um die gewünschte lokale Steifigkeit und
Festigkeit oder die gewünschte lokale Flexibilität und
Weichheit zu erreichen. Dadurch hat man hier die Möglichkeit
der Nachbildung der Funktionen und Erscheinung einer
menschlichen Hand sowohl im Hinblick auf eine allgemeine
technische Anwendbarkeit als auch im Hinblick auf deren
Verwendung als Handprothese.