DE69301807T2

DE69301807T2 - Fuss eines Gehroboters

Info

Publication number: DE69301807T2
Application number: DE69301807T
Authority: DE
Inventors: Beaucourt Philippe De; Philippe Garrec; Philippe Morganti; Didier Sabourin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1993-11-03
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2013-11-04
Also published as: FR2697492A1; FR2697492B1; ES2086907T3; JPH06198582A; DE69301807D1; EP0596797B1; EP0596797A1; US5421426A

Description

Die Erfindung betrifft den Fuß eines Gehroboters.
Bestimmte bewegliche Roboter bewegen sich auf dem Boden fort wie zahlreiche Lebewesen, indem sie sich nämlich auf Beinen abstützen, die wechselweise Bewegungen nach vorn und nach hinten ausführen, während welchen Füße abwechselnd auf den Boden gesetzt und angehoben werden.
Ein großes Problem dieser Roboterkategorie ist es, daß die Qualtität der Auflage der Füße auf dem Boden oft unvorhersehbar ist, was das Ungleichgewicht und den Sturz des Roboters verursachen kann, wenn der Kontakt auf einer zu kleinen Fläche hergestellt wird, die einbricht, sobald das Gewicht des Roboters zur Anwendung kommt, oder wenn die Auflage nur an einem außermittigen Teil des Fußes erfolgt, der dann kippt.
Die traditinellen Sensoren, die verwendet werden, um die Umgebung des Roboters zu erkennen durch künstliches Sehen oder ein Verfahren derselben Art, haben Probleme beim Unterscheiden von bestimmten Kategorien von Hindernissen oder Vertiefungen, vor allem Niveauunterschiede wie Treppenstufen, kleine auf der Erde stehende Gegenstände und Flächen wie z.B. Latten- bzw. Gitterroste. Außerdem sind sie kompliziert und teuer in der Herstellung und können sich leicht verschlechtern, z.B. indem sie sich verschmutzen. Sie sind also in zahlreichen Umgebungen nicht betriebssicher, vor allem wenn der Roboter große Wege zurücklegen muß zwischen den industriellen Anlagen.
Der Fuß des erfindungsgemäßen Gehroboters umfaßt ein Gestell, versehen mit einer flachen Sohle zum Abstützen auf dem Boden, ein kardanisches Gelenk zwischen dem Gestell und einem anderen Teil des Roboters, vorgesehen um Schwenkungen der Sohle in alle Richtungen zu ermöglichen, Neigungssensoren der Sohle, Bodenberührungssensoren, neben der Sohle befindlich und im wesentlichen in der Ebene der Sohle, wobei das Gestell aus zwei Teilstücken konstruiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilstücke verbunden sind durch eine Feder zur Absorption der Kompressionsenergie des Fußes, erzeugt durch den anderen Teil des Roboters, wobei eines der Teilstücke des Gestells das kardanische Gelenk trägt und das andere Teilstück des Gestells die Sohle und die Berührungssensoren trägt.
Die Kombination dieser Einrichtungen ermöglicht tatsächlich eine Beseitigung der weiter oben erwähnten Nachteile: die Sohle paßt sich von selbst der örtlichen Ausrichtung des Boden an, jedoch können die Neigungssensoren das Aufsetzen verweigern, wenn die Neigung zu stark ist, um ein Gleiten auszuschließen; der Berührungssensor ermöglicht, zu überprüfen, ob die Auflage auf einer ausreichend großen und folglich ausreichend festen Fläche erfolgt; schließlich ermöglicht die Unterteilung des Gestells in zwei durch Federn verbundene Teilstücke, nicht sofort die Gesamtheit der Abstützbelastung auszuüben, was die nötige Zeit läßt, die Qualität der Auflage zu überprüfen und eventuell den Fuß wieder anzuheben, um zu versuchen, ihn anderswo aufzusetzen.
Die Berührungssensoren sind vorteilhafterweise zurückdrückbare Lager, die mit dem Gestell durch Federn verbunden sind. Das Feststellen ihrer Verschiebung ermöglicht unzweideutig, die Berührung zu identifizieren.
Das Gestell kann vervollständigt werden durch einen seitlichen Rand, der die Sohle umgibt und der beweglich ist, um sich zu verformen, sobald er ein seitliches Hindernis berührt, was anzeigt, daß es vorzuziehen ist, den Fuß zu entfernen.
Nun wird die Erfindung mehr im Detail beschrieben anhand der einzigen Figur, die eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Fußes zeigt.
Der Fuß ist verbunden mit dem unteren Ende eines Beins 1 eines Roboters - im übrigen nicht dargestellt, der aber dem des französischen Patents 2 653 516 ähnlich sein kann - durch ein kardanisches Gelenk 2, zusammengesetzt aus einem beweglichen Gehäuse 3, aus dem eine Querachse 4 austritt, befestigt am Bein 1, und eine Längsachse 5, befestigt im Oberteil eines Gestells 6 des Fußes. die Achsen 4 und 5 sind hohl und enthalten einen Winkelgeber 7 oder 8, der ihre Drehung messen kann. Die Winkelgeber 7 und 8 sind ebenso wie die anderen Sensoren, die bald beschrieben werden, mit dem Steuersystem verbunden durch Drähte 9, die an dem Bein 1 entlang verlaufen. Wenn das Bein 1 bewegt wird, ohne daß seine Neigung sich verändert, kann man sofort die Neigung des Fußes und vor allem einer ebenen und horizontalen Bodenauflagesohle 10 erkennen, die zu ihm gehört und die befestigt ist an der Unterseite des unteren Teilstücks 11 des Gestells 6. Wenn nicht, kann die Neigung der Sohle 10 berechnet werden, indem man die Neigung des Beins 1 kennt.
Vertikale Führungssäulen 12 erheben sich aus der Oberseite dieses unteren Teilstücks 11 und durchqueren Bohrungen, die in dem oberen Teilstück 13 des Gestells 6 vorgesehen sind, der das kardanische Gelenk 2 trägt, und ermöglichen dem oberen Teilstück 13, in bezug auf das andere vertikal zu gleiten. Eine Feder 14 sitzt in einer Vertiefung 15 zwischen den Teilen 11 und 13 des Gestells 6: wenn das Bein 1 sich absenkt, wird sie, sobald die Sohle 10 den Boden berührt, zusammengedrückt bis sie den ganzen auf diesem Fuß ruhenden Gewichtsanteil des Roboters überträgt.
Die Feder 14 ist keine klassische Metallfeder, sondern ein System, gebildet aus einem kreisförmigen Gummistreifen 35, der auf das untere Teilstück 11 geklebt ist, und einem ringförmig gebogenen Silikonrohr 36, das zusammengedrückt wird zwischen dem Gummistreifen 35 und dem oberen Teilstück 13, an dem es festgeklebt ist: das Silikonrohr 36 wird bei geringer und gleichmäßiger Federhärte bzw. -steife oval, wenn es zusammengedrückt wird und bis es ganz zusammengedrückt ist, wonach die Feder 14 nur noch die sehr steife Elastizität des Gummistreifens 35 aufweist; das System ist zunächst ausreichend nachgiebig, um zu ermöglichen, den Fuß aufzusetzen vor der Anwendung der totalen Belastung, um die inkorrekten oder gefährlichen Auflagen vorauszusehen, dann ausreichend steif, damit keine große Kompression mehr erfolgt, wenn die totale Belastung beginnt. Das Silikonrohr 36 hat außerdem den großen Vorteil, sich wieder zurückzubiegen ohne große Schwingungen zu erzeugen, wenn es wieder entlastet wird, d.h. daß es eine starke Dämpfung hat. Schließlich werden die unerwünschten horizontalen Parallelverschiebungsbewegungen der beiden Teilstücke 11 und 13 des Gestells 6 fast ganz unterbunden, denn die Feder 14 ist diesen Bewegungen gegenüber sehr steif.
Das obere Teilstück 13 des Gestells 6 umfaßt ein Schwenkteil 16, welches das kardanische Gelenk 2 trägt, das mit dem Rest durch ein Kugellager 17 verbunden ist, das sich um eine Vertikalachse dreht und der Sohle 10 ermöglicht, sich zu drehen und dabei unveränderlich in einer Ebene zu bleiben, die die Bewegungen des kardanischen Gelenks 2 bestimmt haben. Es ist dann vorteilhaft, das Schwenkteil 16 mit Anschlägen 18 zu versehen, die einige der Säulen 12 berühren werden, um die Drehung zu begrenzen und weder die Drähte der Sensoren herauszureißen, noch die Manschette 19 zu beschädigen, die vorteilhafterweise benutzt wird, um den größten Teil des Fußes einzuhüllen, mit Ausnahme seiner Unterseite bzw. -fläche. Der obere Rand der Manschette 19 ist um das Bein 1 herum festgemacht; sie ist aus elastischem Material und verdreht bzw. verwindet sich, sobald die Sohle 10 eine Schwenkung ausführt, aber sie bringt den Fuß in eine bevorzugte Stellung zurück, wenn der Fuß angehoben wird. Sie ist außerdem nützlich, um die Mechanismen des Fußes vor Stößen und Verschmutzungen zu schützen. Um den unteren Teil der Manschette 19 zu entlasten, ist auf der Oberseite des Gestells 6 eine zusätzliche Befestigung auf einer kreisförmigen Fläche 37 vorgesehen.
Das untere Teilstück 11 des Gestells 6 umfaßt einen Rand 20, um das obere Teilstück 13 herum, der einen durchgehenden oder nicht-durchgehenden Ring 21 trägt, der es umgibt und den die Manschette 19 von der Außenseite trennt. Der Ring 21 ist an dem Rand 20 befestigt mittels einer Feder 22, die hier wieder ein um den Rand 20 gewickeltes nachgiebiges Rohr sein kann. Der Ring 21 ist außerdem frei um den Rand 20 herum beweglich. Vorteilhafterweise werden Reibungen an der Feder 22 reduziert, indem als Material für den Ring 21 Aluminium und für die Feder 22 Vinyl gewählt wird. Stellungsgeber 23 sind ringförmig auf dem Rand 20 angeordnet und messen die Bewegungen bzw. Verschiebungen des Rings 21, die sich ereignen, wenn er seitliche Hindernisse berührt, die somit dem Steuersystem des Roboters signalisiert werden.
Weitere Stellungsgeber 24 sind in das untere Teilstück 11 eingefügt, vor Berührungssensoren 25, die im wesentlichen gebildet werden durch ein Lager 26, angebracht an einer elastischen Lamelle 27, deren entgegengesetztes Ende eingefügt ist in das untere Teilstück 11. Die Lager 26 enden mit Kufen 28, die etwas weiter nach unten reichen als die Sohle 10 und die generell den Boden berühren sollten, wenn diese auf ihn gestellt wird. Die Kufen 28 und Lager 26 werden dann zurückgedrückt und die Lamelle 27 durchgebogen. Diese Bewegungen werden festgestellt von den Stellungsgebern 24 und dern Steuersystem des Roboters mitgeteilt. Die Lager 26 sind seitlich von der Sohle 10 angeordnet, d.h. um sie herum oder eventuell in Ausnehmungen von ihr. Das Aufsetzen des Fußes auf dem Boden wird unterbrochen durch das Steuersystem und der Fuß wird verschoben, wenn zu wenige dieser Sensoren bewegt bzw. betätigt werden, denn dies bedeutet generell, daß die Sohle 10 den Boden nur mit einer zu kleinen Fläche berührt oder sogar einen auf den Boden gelegten Gegenstand.
Die Lager 26 und die Lamellen 27 sitzen in Hohlräumen 29 des unteren Teilstücks 11, die vorteilhafterweise verschlossen sind durch eine elastische Schutzfolie 30, die vor allem Dichtheit garantiert und eventuell dieselbe ist für alle Hohlräume 29 und sich infolgedessen über fast die gesamte Unterseite des Gestells 6 erstreckt. Sie umfaßt dann einen Teil, der durch die Sohle 10 bedeckt ist, die sie mittels Befestigungsschrauben 31 gegen das untere Teilstück 11 preßt. Auf analoge Weise sind Teile der elastischen Folie 30 eingeklemmt zwischen den Lagern 26 und den Kufen 28 durch Befestigungsschrauben 32 der Kufen 28, was ermöglicht, nach Belieben die Kufen 28 zu ersetzen, wenn sie abgenützt sind.
Schrauben 33, Niete oder irgendwelche andere Mittel können verwendet werden, um die elastische Folie 30 und die Manschette 19 am Gestell zu befestigen.
Der Umfang der Hohlräume 29 ist vorteilhafterweise mit einem runden Rand versehen, der die elastische Folie 30 nicht durchschneidet, wenn die Lager 26 zurückgedrückt werden.
Der hier beschriebene Fuß bietet folglich alle Sicherheitsgarantien und ist für fast alle Bodenarten verwendbar.
Die Stellungsgeber 23 und 24 können induktiv, optisch, magnetisch oder anders funktionieren oder auch durch Potentiometer oder Präzisionsmikroschalter gebildet werden, d.h. mit oder ohne materiellen Kontakt.

Claims

1. Fuß eines Gehroboters, umfassend ein Stützwerk bzw. Gestell (6), versehen mit einer flachen Sohle (10) zum Abstützen auf dem Boden, ein kardanisches Gelenk (2) zwischen dem Gestell (6) und einem anderen Teil (1) des Roboters, vorgesehen um Schwenkungen der Sohle (10) in allen Richtungen zu ermöglichen, Neigungssensoren (7, 8) der Sohle (10), Bodenberührungssensoren (25), neben der Sohle (10) befindlich und im wesentlichen in der Ebene der Sohle, wobei das Gestell aus zwei Teilen (11, 13) konstruiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile verbunden sind durch eine Feder (14) zur Absorption der Kompressionsenergie des Fußes, erzeugt durch den anderen Teil des Roboters, wobei einer der Teile (13) des Gestells das kardanische Gelenk (2) trägt und der andere Teil (11) des Gestells die Sohle (10) und die Berührungssensoren (25) trägt.

2. Fuß eines Gehroboters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile des Gestells verbunden sind durch Gleitführungssäulen (12).

3. Fuß eines Gehroboters nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (14) eine mit der Kompression des Fußes zunehmende Gesamtsteifigkeit aufweist.

4. Fuß eines Gehroboters nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungssonden (25) zurückdrückbare Lager (26) sind, mit dem Gestell (6) verbunden durch Federn (27).

5. Fuß eines Gehroboters nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (26) beweglich sind in Hohlräumen (29) des Gestells (6), wobei die Hohlräume (29) durch eine elastische Schutzfolie bedeckt sind.

6. Fuß eines Gehroboters nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Folie (30) allen Hohlräumen (29) gemeinsam ist, wobei die Sohle (10) an dem Gestell (6) befestigt ist, indem sie einen Teil der elastischen Folie (30) überdeckt.

7. Fuß eines Gehroboters nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (26) für die Bodenberührung mit auswechselbaren Kufen bzw. Schuhen (28) versehen sind.

8. Fuß eines Gehroboters nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell (6) für den Kontakt mit Hindernissen einen beweglichen seitlichen Rand (21) umfaßt, der die Sohle (10) umgibt.

9. Fuß eines Gehroboters nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell (6) ein Drehgelenk (17) umfaßt, das Drehungen der Sohle (10) in der Ebene der Sohle zuläßt, sowie eine Rückstelleinrichtung (19) des Drehgelenks in eine Vorzugsstellung.

10. Fuß eines Gehroboters nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstelleinrichtung eine Muffe bzw. Manschette ist, die den Fuß umhüllt, ausgenommen die Sohle und die Berührungssensoren.