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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Armstruktur für
Roboter mit menschlicher Morphologie.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Ein allgemein bekannter Roboter mit menschlicher
Morphologie, der wie der Mensch Arme an beiden Seiten des Rumpfs
aufweist, verwendet eine wie in 7 der
beiliegenden Zeichnungen gezeigte Armgelenksstruktur.
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Der Roboter mit menschlicher Morphologie weist
Arme A auf, die jeweils eine Schultergelenksanordnung a, eine Ellenbogengelenksanordnung
b und eine Handgelenksanordnung c aufweisen. Die Schultergelenksanordnung
a umfasst ein mit einem Rumpf B gekoppeltes erstes Gelenk e zur
Drehung um eine erste Achse d, welche sich von einer oberen Seite des
Rumpfs B waagerecht erstreckt, ein mit dem ersten Gelenk e gekoppeltes
zweites Gelenk g zur Drehung um eine zweite Achse f (senkrecht zum
Blatt von 7) normal
zur ersten Achse d, und ein mit dem zweiten Gelenk g gekoppeltes
drittes Gelenk i zur Drehung um eine dritte Achse h normal zur zweiten
Achse f. Die ersten bis dritten Gelenke e, g, i stehen zueinander
in einer solchen Positionsbeziehung, dass die ersten bis dritten
Achsen d, f, h einander in willkürlichen
Betriebsstellungen (Winkelpositionen) der ersten bis dritten Gelenke
e, g, i an einem Punkt schneiden.
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Die Ellenbogengelenksanordnung b
umfasst ein viertes Gelenk b zur Drehung um eine vierte Achse j
(senkrecht zum Blatt von 7),
das durch einen Oberarm k mit dem dritten Gelenk i des Schultergelenks
a gekoppelt ist. Die Handgelenksanordnung c umfasst fünfte bis
siebente Gelenke p, q, r zur Drehung um jeweilige fünfte bis
siebente Achsen m, n, o (die im veranschaulichten Zustand normal
zueinander verlaufen), die hintereinander mit der Ellenbogengelenksanordnung
b gekoppelt sind. Eine Hand s ist mit dem distalen Ende der Handgelenksanordnung
c gekoppelt.
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Die obige Struktur eines jeden der
Arme A gestattet der Schultergelenksanordnung a, der Ellenbogengelenksanordnung
b und der Handgelenksanordnung c, im Wesentlichen in der gleichen
Weise wie menschliche Arme tätig
zu sein.
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Beim in 7 gezeigten Roboter ist die Ellenbogengelenksanordnung
b auf der dritten Achse h des dritten Gelenks i der Schultergelenksanordnung a
angeordnet. Die Ellenbogengelenksanordnung b kann jedoch an einer
Position, die radial von der dritten Achse des dritten Gelenks entfernt
ist, mit dem dritten Gelenk gekoppelt sein.
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Durch die obige Struktur des Arms
A des Roboters können
die erste Achse d des ersten Gelenks e und die dritte Achse b des
dritten Gelenks i der Schultergelenksanordnung wie in 8 gezeigt miteinander ausgerichtet
sein, und ein derartiger ausgerichteter Zustand wird als ein Singularitätszustand (oder
eine Singularitätsstellung)
bezeichnet. Der Singularitätszustand
bezieht sich auf einen Zustand, in dem die erste Achse d des ersten
Gelenks e und die dritte Achse h des dritten Gelenks i ungeachtet
der Winkelverschiebung des ersten Gelenks e oder des dritten Gelenks
i miteinander ausgerichtet sind. Dieser Singularitätszustand
tritt auch auf, wenn die Ellenbogengelenksanordnung b an einer radial
von der dritten Achse des dritten Gelenks entfernten Position mit
dem dritten Gelenk gekoppelt ist.
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Im Singularitätszustand gestattet die Schultergelenksanordnung
a dem ersten Gelenk e oder dem dritten Gelenk i, sich nur um die
erste Achse d (= die dritte Achse h) zu drehen, und gestattet sie dem
zweiten Gelenk g, sich nur um die zweite Achse f zu drehen. Daher
weist die Ellenbogengelenksanordnung b, die mit dem dritten Gelenk
i der Schultergelenksanordnung gekoppelt ist, eine verringerte Anzahl
von Graden der Freiheit für
ihre Stellung auf, was zu einer schlechten Betriebsfähigkeit
des Arms A führt.
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Beispielsweise ist es im in 8 gezeigten Singularitätszustand
sogar für
ein geringfügiges
Verändern
der Ausrichtung der vierten Achse j der Ellenbogengelenksanordnung
b um die senkrechte Achse notwendig, die Schultergelenksanordnung
a durch Drehen des ersten Gelenks e und des dritten Gelenks i der
Schultergelenksanordnung a um 90 Grad in entgegengesetzte Richtungen
um die erste Achse d bzw. die dritte Achse h zu betätigen und
danach das zweite Gelenk g geringfügig um die zweite Achse f zu
drehen.
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Im Singularitätszustand der Schultergelenksanordnung
a muss daher die Schultergelenksanordnung a ausgedehnt betätigt werden,
um die Position oder Stellung der Ellenbogengelenksanordnung b geringfügig zu verändern, was
dazu führt,
dass die Flexibilität
und die Schnelligkeit des Veränderns
der Ellenbogengelenksanordnung b zu einer gewünschten Position oder Stellung.
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Der obige Nachteil ist in einem anderen
Zustand als dem Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung a (einem Nichtsingularitätszustand) nicht
vorhanden. Beispielsweise kann die Ausrichtung der vierten Achse
j der Ellenbogengelenksanordnung b im in 7 gezeigten Zustand durch geringfügiges Drehen
des ersten Gelenks e oder des dritten Gelenks i oder beider Gelenke
geringfügig
zu einer gewünschten
Ausrichtung verändert
werden.
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Die Erfinder haben festgestellt,
dass die Arme A des Roboters mit menschlicher Morphologie von der
oben beschriebenen Art tätig
sind, um verschiedenste Vorgänge
durchzuführen,
während
die Ellenbogengelenksanordnung b in der gleichen Höhe oder
niedriger als die Mitte der Schultergelenksanordnung a, d. h., der
Schnittpunkt der Achsen d, f, h der ersten bis dritten Gelenke e,
g, i angeordnet ist. Diese Neigung ist bei Master-Slave-Robotern mit menschlicher
Morphologie, deren Arme aufgrund der Arbeitsfähigkeit der menschlichen Arme
in der gleichen Weise wie menschliche Arme betätigt werden, besonders stark.
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Beim herkömmlichen Roboter mit menschlicher
Morphologie wurden jedoch die Anordnung und die Stellung der ersten
bis dritten Gelenke der Schultergelenksanordnung a unter Berücksichtigung
der Position der Schultergelenksanordnung A des Arms A im tatsächlichen
Betrieb entworfen. Daher tritt der Singularitätszustand der Schultergelenksanordnung a
in Positionen auf, in denen die Ellenbogengelenksanordnung b tätig sein
kann, wenn der Roboter mit menschlicher Morphologie arbeitet. Beim
in 7 gezeigten Roboter
mit menschlicher Morphologie tritt der Singularitätszustand
beispielsweise auf, wenn sich die Ellenbogengelenksanordnung b in
der gleichen Höhe
wie die Mitte der Schultergelenksanordnung a seitlich des Rumpfs
B erstreckt. Eine derartige Position der Ellenbogengelenksanordnung
b tritt normalerweise auf, während
der Roboter mit menschlicher Morphologie arbeitet. Folglich findet der
Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung a leicht statt, während der Arm A des herkömmlichen
Roboters mit menschlicher Morphologie arbeitet, was zu einer beeinträchtigten
Betriebsfähigkeit des
Arms A während
des normalen Betriebs des Roboters führt.
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Eine Armstruktur mit menschlicher
Morphologie ist auch aus
DE
22 28 598 A bekannt.
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Angesichts des obigen Hintergrunds
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Armstruktur
für Roboter
mit menschlicher Morphologie bereitzustellen, die das Auftreten
eines Singularitätszustands
einer Schultergelenksanordnung verringert, während der Arm des Roboters
mit menschlicher Morphologie normal arbeitet, wodurch dem Arm ein glatter
Betrieb gestattet wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Zur Erfüllung der obigen Aufgabe ist
nach der vorliegenden Erfindung eine Armstruktur für eine Roboter
mit menschlicher Morphologie bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
eine Schultergelenksanordnung, die ein mit einem Rumpf gekoppeltes
erstes Gelenk zur Drehung nur um eine erste Achse, ein mit dem ersten
Gelenk gekoppeltes zweites Gelenk zur Drehung nur um eine zweite
Achse, welche die erste Achse kreuzt, und ein mit dem zweiten Gelenk
gekoppeltes drittes Gelenk zur Drehung nur um eine dritte Achse,
welche die zweite Achse kreuzt, aufweist, wobei die ersten bis dritten
Achsen einander an einem einzelnen Punkt schneiden, und eine Ellenbogengelenksanordnung,
die mit dem dritten Gelenk der Schultergelenksanordnung gekoppelt
ist, wobei die Armstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass die Position
und die Stellung der ersten bis dritten Gelenke der Schultergelenksanordnung
und die Position der Ellenbogengelenksanordnung in bezug auf das dritte
Gelenk so eingerichtet sind, dass die Ellenbogengelenksanordnung über einer
waagerechten Ebene gelegen ist, welche durch den Schnittpunkt der
Achsen der ersten bis dritten Gelenke verläuft, während die Schultergelenksanordnung
in einen Singularitätszustand
betätigt
wird, wobei die erste Achse des ersten Gelenks und die dritte Achse
des dritten Gelenks miteinander ausgerichtet sind und die Ellenbogengelenksanordnung
seitlich des Rumpfs angeordnet ist.
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Im Allgemeinen arbeitet der Arm des
Roboters mit menschlicher Morphologie nicht, während die Ellenbogengelenksanordnung
seitlich des Rumpfs angeordnet ist und die Ellenbogengelenksanordnung über der
waagerechten Ebene gelegen ist, die durch den Schnittpunkt der Achsen
der ersten bis dritten Gelenke, d. h., der Mitte der Schultergelenksanordnung,
verläuft.
Daher ist es durch ein derartiges Einrichten der Position und der
Stellung der ersten bis dritten Gelenke der Schultergelenksanordnung
und der Stellung der Ellenbogengelenksanordnung in bezug auf das
dritte Gelenk, dass die Ellenbogengelenksanordnung über einer
waagerechten Ebene gelegen ist, welche durch den Schnittpunkt der
Achsen der ersten bis dritten Gelenke verläuft, während die Schultergelenksanordnung
in den Singularitätszustand
betätigt
wird und die Ellenbogengelenksanordnung seitlich des Rumpfs angeordnet
ist, möglich,
zu verhindern, dass der Singularitätszustand der Schultergelenksanordnung
in der Position auftritt, in der die Ellenbogengelenksanordnung
normal betätigt
wird, wenn der Arm des Roboters mit menschlicher Morphologie tatsächlich arbeitet.
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Daher ist das Auftreten des Singularitätszustands
der Schultergelenksanordnung verringert, während der Arm des Roboters
mit menschlicher Morphologie normal arbeitet, wodurch dem Arm ein glatter
Betrieb gestattet wird.
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Wenn die Ellenbogengelenksanordnung
auf der dritten Achse des dritten Gelenks mit dem dritten Gelenk
gekoppelt ist, ist das erste Gelenk der Schultergelenksanordnung
mit dem Rumpf gekoppelt, wobei die erste Achse seitlich des Rumpfs
schräg
vom Rumpf aufwärts
ausgerichtet ist, und sind das zweite Gelenk und dritte Gelenk mit
dem ersten Gelenk bzw. dem zweiten Gelenk gekoppelt, damit sie im
Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung hintereinander vom ersten Gelenk zur
Ellenbogengelenksanordnung auf der ersten Achse angeordnet sind.
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Bei der obigen Anordnung ist die
Ellenbogengelenksanordnung im Singularitätszustand der Schultergelenksanordnung über der
waagerechten Ebene seitlich des Rumpfs gelegen.
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Wenn die Ellenbogengelenksanordnung
an einer Position, die von der dritten Achse des dritten Gelenks
entfernt ist, mit dem dritten Gelenk gekoppelt ist, sind die Position
und die Stellung der ersten bis dritten Gelenke der Schultergelenksanordnung
so eingerichtet, dass die Ellenbogengelenksanordnung über der
waagerechten Ebene gelegen ist, während die Schultergelenksanordnung
in den Singularitätszustand
betätigt
wird und die Ellenbogengelenksanordnung um die dritte Achse in eine
willkürliche
Position seitlich des Rumpfs gedreht wird.
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Wenn die Ellenbogengelenksanordnung
an einer Position, die von der dritten Achse des dritten Gelenks
entfernt ist, mit dem dritten Gelenk gekoppelt ist, bewegt sich
die Position der Ellenbogengelenksanordnung im Besonderen auf einem
Kreis, dessen Radius dem Abstand zwischen der Ellenbogengelenksanordnung
und der ersten und dritten Achse gleich ist, wenn das erste Gelenk
und das dritte Gelenk im Singularitätszustand um die erste Achse bzw.
die dritte Achse (die im Singularitätszustand miteinander ausgerichtet
sind) gedreht werden, und befindet sich die Schultergelenksanordnung
in jedweder Winkelposition der Ellenbogengelenksanordnung im Singularitätszustand.
Durch ein derartiges Einrichten der Position und der Stellung der
ersten bis dritten Gelenke der Schultergelenksanordnung, dass die Ellenbogengelenksanordnung über der
waagerechten Ebene gelegen ist, während die Schultergelenksanordnung
in den Singularitätszustand
betätigt
wird, und die Ellenbogengelenksanordnung um die dritte Achse in
eine willkürliche
Position seitlich des Rumpfs gedreht ist, ist es möglich, das
Auftreten des Singularitätszustands
der Schultergelenksanordnung zu verringern, wenn der Arm des Roboters
mit menschlicher Morphologie tatsächlich arbeitet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische vordere Aufrissansicht eines Roboters mit menschlicher
Morphologie nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Ansicht, die den Betrieb eines mittleren Abschnitts des in 1 gezeigten Roboters veranschaulicht;
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3 ist
eine schematische seitliche Aufrissansicht eines mittleren Abschnitts
eines Roboters mit menschlicher Morphologie nach einer Abwandlung
der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine schematische vordere Aufrissansicht eines mittleren Abschnitts
eines Roboters mit menschlicher Morphologie nach einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine schematische vordere Aufrissansicht eines mittleren Abschnitts
eines Roboters mit menschlicher Morphologie nach einer Abwandlung der
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine schematische vordere Aufrissansicht eines mittleren Abschnitts
eines Roboters mit menschlicher Morphologie nach einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
eine schematische vordere Aufrissansicht eines herkömmlichen
Roboters mit menschlicher Morphologie; und
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8 ist
eine Ansicht, die den Betrieb eines mittleren Abschnitts des in 7 gezeigten Roboters veranschaulicht.
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Die beste
Weise zur Ausführung
der Erfindung
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Nachstehend wird unter Bezugnahme
auf 1 und 2 eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. 1 ist eine schematische vordere Aufrissansicht
eines Roboters mit menschlicher Morphologie nach einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und 2 ist
eine Ansicht, die den Betrieb des in 1 gezeigten
Roboters mit menschlicher Morphologie veranschaulicht.
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Wie in 1 gezeigt
umfasst der Roboter mit menschlicher Morphologie einen Rumpf 1,
einen Kopf 2, der an einer oberen Oberfläche des
Rumpfs 1 angebracht ist, ein Paar von Armen 3,
die sich von den beiden oberen Seiten des Rumpfs 1 erstrecken, und
ein Paar von Beinen 4, die sich vom unteren Ende des Rumpfs 1 erstrecken.
Die Arme 3 weisen eine identische Struktur auf, und die
Beine 4 weisen ebenfalls eine identische Struktur auf.
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Jeder der Arme 3 umfasst
eine Schultergelenksanordnung 5, eine Ellenbogengelenksanordnung 6,
eine Handgelenksanordnung 7 und eine Hand 9, die
hintereinander in dieser Reihenfolge vom Rumpf 1 her gekoppelt
sind.
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Die Schultergelenksanordnung 5 umfasst
ein mit dem Rumpf 1 gekoppeltes erstes Gelenk 11 zur Drehung
um eine erste Achse 10, welche sich seitlich vom Rumpf 1 schräg aufwärts erstreckt,
ein mit dem ersten Gelenk 11 gekoppeltes zweites Gelenk 13 zur Drehung
um eine zweite Achse 12, die normal zur ersten Achse 10 verläuft, und
ein mit dem zweiten Gelenk 13 gekoppeltes drittes Gelenk 15 zur
Drehung um eine dritte Achse 14, die normal zur zweiten Achse 12 verläuft. Im
veranschaulichten Zustand erstreckt sich die zweite Achse 12 in
eine Vorwärts-Rückwärts-Richtung (normal
zum Blatt von 1) und
die dritte Achse in eine senkrechte Richtung. Die ersten bis dritten
Gelenke 11, 13 ,15 sind in einer derartigen
Positionsbeziehung angeordnet, dass ihre Achsen 10, 12, 14 einander
in ihren willkürlichen
Winkelpositionen an einem Punkt auf der zweiten Achse 12 schneiden.
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Die Ellenbogengelenksanordnung 6 umfasst ein
viertes Gelenk, das durch einen Oberarm 16 auf der dritten
Achse 14 mit dem dritten Gelenk 15 gekoppelt ist.
Das vierte Gelenk 6 (die Ellenbogengelenksanordnung 6)
ist um eine (sich wie gezeigt in eine Vorwärts-Rückwerts-Richtung erstreckende) vierte
Achse 17 drehbar, die normal zur dritten Achse 14 verläuft.
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Die Handgelenksanordnung 7 umfasst
ein mit dem vierten Gelenk 6 (der Ellenbogengelenksanordnung 6)
gekoppeltes fünftes
Gelenk 19 zur Drehung um eine fünfte Achse 18, die
sich in einer normal zur vierten Achse 17 verlaufenden
Richtung (der Senkrechtrichtung in 1)
erstreckt, ein mit dem fünften
Gelenk 19 gekoppeltes sechstes Gelenk 21 zur Drehung
um eine sechste Achse 20, die sich in einer normal zur
fünften
Achse 18 verlaufenden Richtung (wie gezeigt der Vorwärts-Rückwärts-Richtung) erstreckt,
und ein mit dem sechsten Gelenk 21 gekoppeltes siebentes
Gelenk 23 zur Drehung um eine siebente Achse 22,
die sich in einer normal zur sechsten Achse 20 verlaufenden
Richtung (wie gezeigt einer seitlichen Richtung) erstreckt. Die
Hand 9 ist mit dem siebenten Gelenk 23 gekoppelt.
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Jedes der ersten bis siebenten Gelenke 11, 13, 15, 6, 19, 21, 23 umfasst
einen Drehaktuator wie etwa einen Motor o. ä. Diese Gelenke werden auf
Basis von Befehlen von einer nicht gezeigten Robotersteuervorrichtung
(z. B. einer Mastervorrichtung) betätigt, oder erhalten im Voraus
Unterweisungsdaten, um eine bestimmte Arbeit durchzuführen. Jedes
der Gelenke 11, 13, 15, 6, 19, 21, 23 kann
zur Drehung um die jeweilige Achse 10, 12, 14, 17, 18, 20, 22 anstelle
des Drehaktuators vielmehr einen linearen Aktuator wie etwa einen
Zylinder o. ä.
umfassen.
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Bei der obigen Struktur der Schultergelenksanordnung 5,
der Ellenbogengelenksanordnung 6 und der Handgelenksanordnung 7 kann
sich die Schultergelenksanordnung 5 mit Ausnahme eines Singularitätszustands
um drei Achsen drehen und können
sich die Ellenbogengelenksanordnung 6 und die Handgelenksanordnung 7 um
eine einzelne Achse bzw. um drei Achsen drehen. Beruhend auf diesen Drehbewegungen
kann jeder der Arme 3 in der gleichen Weise wie ein menschlicher
Arm tätig
sein.
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Jedes der Beine 4 umfasst
ein Hüftgelenk 24,
ein Kniegelenk 25, ein Knöchelgelenk 26 und
einen Fuß 27,
die hintereinander in dieser Reihenfolge vom Rumpf 1 her
gekoppelt sind. Obwohl keine ausführliche Darstellung vorgenommen
ist, ist das Hüftgelenk 24 so
angeordnet, dass es sich um drei Achsen in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung, der seitlichen
Richtung und der senkrechten Richtung dreht, ist das Kniegelenk 25 so
angeordnet, dass es sich um eine einzelne Achse in der seitlichen
Richtung dreht, und ist das Knöchelgelenk 26 so
angeordnet, dass es sich um zwei Richtungen in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung
und der seitlichen Richtung dreht.
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Bei den Armen 3 der obigen
Struktur sind die erste Achse 10 des ersten Gelenks 11 und
die dritte Achse 14 des dritten Gelenks 15 wie
in 2 gezeigt miteinander
ausgerichtet, wenn das zweite Gelenk 13 der Schultergelenksanordnung 5 aus
dem in 1 gezeigten Zustand
um einen Winkel θ gegen den
Uhrzeigersinn um die zweite Achse 12 gedreht wird, was
zum Auftreten eines Singularitätszustands der
Schultergelenksanordnung 5 führt. In diesem Singularitätszustand
ist es für
ein geringfügiges
Verändern
der Ausrichtung der vierten Achse 17 der Ellenbogengelenksanordnung 6 in
einer Ebene, die die zweite Achse 12 und die dritte Achse 14 enthält, nötig, das
erste Gelenk 11 und das dritte Gelenk 15 der Schultergelenksanordnung 5 um
90 Grad in entgegengesetzte Richtungen zu drehen und danach das zweite
Gelenk 13 zu drehen. Daher müssen das erste Gelenk 11 und
das dritte Gelenk 15 ausgedehnt betätigt werden.
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Im obigen Singularitätszustand
sind die ersten bis dritten Gelenke 11, 13, 15 und
die Ellenbogengelenksanordnung 6 aufgrund der Anordnung
der ersten bis dritten Gelenke 11, 13, 15 der
Schultergelenksanordnung und den Anschluss der Ellenbogengelenksanordnung 6 an
das dritte Gelenk 15 hintereinander auf der ersten Achse 10 (=
der dritten Achse 14) aufgereiht, die sich seitlich vom
Rumpf 1 schräg aufwärts erstreckt.
Daher ist die Ellenbogengelenksanordnung 6 im Singularitätszustand
seitlich des Rumpfs 1 über
einer waagerechten Ebene S angeordnet, die durch den Schnittpunkt
der Achsen 10, 12, 14 der ersten bis
dritten Gelenke 11, 13, 15 verläuft.
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Der Arm 3 des Roboters mit
menschlicher Morphologie nach der vorliegenden Erfindung arbeitet
grundsätzlich
bei in oder unter der waagerechten Ebene S angeordneter Ellenbogengelenksanordnung 6.
Daher arbeit der Arm 3 grundsätzlich nicht bei über der
waagerechten Ebene S angeordneter Ellenbogengelenksanordnung 6.
Folglich tritt der Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung 5 nicht auf, während der
Arm 3 arbeitet. Anders ausgedrückt befindet sich der Betrieb
der Schultergelenksanordnung 5 im Nichtsingularitätszustand,
während der
Arm 3 arbeitet. Als Ergebnis kann der Arm 3 glatt arbeiten,
während
seine glatte Betriebsfähigkeit
sichergestellt ist.
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Theoretisch tritt ein Singularitätszustand
auf, wenn das zweite Gelenk 13 aus dem in 2 gezeigten Zustand des Arms 3 um
180 Grad um die zweite Achse 12 gedreht wird. Tatsächlich tritt
ein derartiger Zustand jedoch aufgrund einer Behinderung zwischen
dem Arm 3 und dem Rumpf 1 oder einer Behinderung
zwischen dem ersten Gelenk 11 und dem dritten Gelenk 13 nicht
auf.
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In dieser Ausführungsform erstreckt sich die erste
Achse 10 des mit dem Rumpf 1 gekoppelten ersten
Gelenks 11 seitlich vom Rumpf 1 aufwärts gerichtet.
Wie in 3 gezeigt kann
die erste Achse 10 jedoch leicht in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung des
Roboters geneigt sein (in 3 ist
die erste Achse 10 leicht rückwärts geneigt).
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Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben werden. 4 ist eine schematische vordere Aufrissansicht
eines mittleren Abschnitts eines Roboters mit menschlicher Morphologie
nach der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Der Roboter mit menschlicher Morphologie nach
der zweiten Ausführungsform
unterscheidet sich vom in 1 und 2 gezeigten Roboter mit menschlicher
Morphologie nach der ersten Ausführungsform
hinsichtlich der Anordnung der ersten bis dritten Gelenke der Schultergelenksanordnung
und des Anschlusses der Ellenbogengelenksanordnung an das dritte
Gelenk. Die Teile des Roboters sind mit Bezugszeichen bezeichnet,
die mit jenen des Roboters nach der ersten Ausführungsform identisch sind.
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Wie in 4 gezeigt
sind bei der Schultergelenksanordnung 5 eines jeden der
Arme 3 (es ist nur der linke Arm 3 des Roboters
gezeigt) des Roboters mit menschlicher Morphologie nach der zweiten
Ausführungsform
wie beim Roboter nach der ersten Ausführungsform die ersten bis dritten
Gelenke 11, 13, 15 hintereinander in
dieser Reihenfolge vom Rumpf 1 her gekoppelt. Das erste
Gelenk 11 ist mit dem Rumpf 1 gekoppelt, wobei
sich die erste Achse 10 vom Rumpf 1 senkrecht
nach oben erstreckt.
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Die Ellenbogengelenksanordnung 6 eines
jeden der Arme 3 ist an einer Position, die von der dritten
Achse 14 entfernt ist, durch den Oberarm 16 mit dem
dritten Gelenk 15 gekoppelt. Wie in 4 gezeigt ist die Ellenbogengelenksanordnung 6 so
in bezug auf das dritte Gelenk 15 angeordnet, dass die
Ellenbogengelenksanordnung 6 über der waagerechten Ebene
S gelegen ist, welche durch den Schnittpunkt der Achsen 10, 12, 14 der
ersten bis dritten Gelenke 11, 13, 15 verläuft, während die
Schultergelenksanordnung 5 zu ihren Singularitätszustand
bewegt wird, wobei die erste Achse 10 des ersten Gelenks 11 und
die dritte Achse 14 des dritten Gelenks 15 miteinander
ausgerichtet werden und die Ellenbogengelenksanordnung 6 durch
die Drehung des ersten Gelenks 11 oder des dritten Gelenks 15 um
die erste Achse 10 (= die dritte Achse 14) gedreht
wird, so dass sie seitlich des Rumpfs 1 angeordnet wird. Anders
ausgedrückt
ist die Positionsbeziehung der ersten bis dritten Gelenke 11, 13, 15 (insbesondere die
Abstände
zwischen den ersten bis dritten Gelenken 11, 13, 15)
so eingerichtet, dass die Ellenbogengelenksanordnung 6 über der
waagerechten Ebene S gelegen ist, wenn die Schultergelenksanordnung 5 in
ihren Singularitätszustand
bewegt wurde und die Ellenbogengelenksanordnung 6 seitlich
des Rumpfs 1 angeordnet wurde.
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In der vorliegenden Ausführungsform
ist die Ellenbogengelenksanordnung 6 ungeachtet der Position,
in die die Ellenbogengelenksanordnung 6 im veranschaulichten
Singularitätszustand
um die erste Achse 10 (= die dritte Achse 14)
gedreht wurde, über der
waagerechten Ebene S gelegen, da sich die erste Achse 10 des
ersten Gelenks 11 senkrecht erstreckt.
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Weitere Einzelheiten des Roboters
nach der zweiten Ausführungsform
sind mit jenen des in 1 und 2 gezeigten Roboters identisch.
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Beim Roboter mit menschlicher Morphologie nach
der zweiten Ausführungsform
ist es nach der Bewegung der Schultergelenksanordnung 5 in
ihren Singularitätszustand
für ein
geringfügiges
Verändern der
Ausrichtung der vierten Achse 17 der Ellenbogengelenksanordnung 6 um
eine Richtung, die senkrecht zur zweiten Achse 12 und zur
dritten Achse 14 verläuft,
nötig,
das erste Gelenk 11 und das dritte Gelenk 15 um
90 Grad in entgegengesetzte Richtungen zu drehen und danach das
zweite Gelenk 13 zu drehen. Daher müssen das erste Gelenk 11 und
das dritte Gelenk 15 ausgedehnt betätigt werden.
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Doch im Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung 5 ist die Ellenbogengelenksanordnung 6 sogar
dann über
der waagerechten Ebene S gelegen, wenn die Ellenbogengelenksanordnung 6 in
jede beliebige Position um die erste Achse 10 (= die dritte
Achse 14) einschließlich
Positionen seitlich des Rumpfs 1 gedreht wird. Der Arm 3 arbeitet
jedoch bei über
der waagerechten Ebene S gelegener Ellenbogengelenksanordnung grundsätzlich nicht.
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In der vorliegenden Ausführungsform
befindet sich die Schultergelenksanordnung 5 daher immer
in einem Nichtsingularitätszustand,
während
der Arm 3 arbeitet, was dazu führt, dass der Arm 3 glatt arbeiten
kann, während
seine glatte Betriebsfähigkeit sichergestellt
ist.
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In dieser Ausführungsform erstreckt sich die erste
Achse 10 des ersten Gelenks 11 senkrecht. Um die
Ellenbogengelenksanordnung 6 sogar dann über der
waagerechten Ebene S zu halten, wenn die Ellenbogengelenksanordnung 6 im
Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung 5 in eine beliebige Position
einschließlich
Positionen seitlich des Rumpfs 1 um die erste Achse 10 (=
die dritte Achse 14) gedreht wird, kann die erste Achse 10 des
ersten Gelenks 11 jedoch wie in 5 gezeigt leicht einwärts des Rumpfs 1 geneigt
sein, oder umgekehrt leicht seitlich des Rumpfs 1 geneigt
sein. Wenn die erste Achse 10 wie in 5 gezeigt geneigt ist, ist die Höhe der Ellenbogengelenksanordnung 6 am
geringsten, wenn die Ellenbogengelenksanordnung 6 im Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung 5 aus der Position seitlich
des Rumpfs 1 wie durch die gestrichelten Linien angegeben
um 180 Grad um die erste Achse 10 (= die dritte Achse 14) gedreht
wird (tatsächlich
tritt ein derartiger in 5 gezeigter
Zustand des Roboters nicht auf, da der Arm 3 mit dem Kopf 2 zusammenstößt). Sogar
in diesem Zustand ist die Ellenbogengelenksanordnung 6 über der
waagerechten Ebene S gelegen.
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Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben werden. 6 ist eine schematische vordere Aufrissansicht
eines mittleren Abschnitts eines Roboters mit menschlicher Morphologie
nach der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Der Roboter mit menschlicher Morphologie nach
der dritten Ausführungsform
unterscheidet sich vom in 1 und 2 gezeigten Roboter mit menschlicher
Morphologie nach der ersten Ausführungsform hinsichtlich
der Anordnung der ersten bis dritten Gelenke der Schultergelenksanordnung
und des Anschlusses der Ellenbogengelenksanordnung an das dritte
Gelenk. Die Teile des Roboters sind mit Bezugszeichen bezeichnet,
die mit jenen des Roboters nach der ersten Ausführungsform identisch sind.
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Wie in 6 gezeigt
sind bei der Schultergelenksanordnung 5 eines jeden der
Arme 3 (es ist nur der linke Arm 3 des Roboters
gezeigt) des Roboters mit menschlicher Morphologie nach der dritten
Ausführungsform
wie beim Roboter nach der ersten Ausführungsform die ersten bis dritten
Gelenke 11, 13, 15 hintereinander in
dieser Reihenfolge vom Rumpf 1 her gekoppelt. Das erste
Gelenk 11 ist mit dem Rumpf 1 gekoppelt, wobei
sich die erste Achse 10 wie beim in 5 gezeigten Roboter vom Rumpf 1 schräg aufwärts und
einwärts
des Rumpfs 1 erstreckt.
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Die Ellenbogengelenksanordnung 6 eines
jeden der Arme 3 ist durch den Oberarm 16 an einer Position,
die von der dritten Achse 14 des dritten Gelenks 15 entfernt
ist, an das dritte Gelenk 15 angeschlossen, so dass ein
(durch die gestrichelte Linie in 6 angegebenes)
Liniensegment L, welches die Mitte der Ellenbogengelenksanordnung 6 (an
der vierten Achse 17) und den Schnittpunkt der ersten bis dritten
Achsen 10, 12,
14 verbindet, im veranschaulichten
Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung 5 (in dem die erste Achse 10 und
die dritte Achse 14 miteinander ausgerichtet sind) normal
zur ersten Achse 10 und zur dritten Achse 14 verläuft.
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Weitere Einzelheiten des Roboters
nach der dritten Ausführungsform
sind mit jenen des Roboters nach der ersten Ausführungsform identisch.
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Bei den Armen 3 des Roboters
mit menschlicher Morphologie mit der obigen Struktur ist die Ellenbogengelenksanordnung 6 über der
waagerechten Ebene S gelegen, die durch den Schnittpunkt der ersten
bis dritten Achsen 10, 12, 14 verläuft, wenn
die Schultergelenksanordnung 5 in ihren Singularitätszustand
bewegt wurde und die Ellenbogengelenksanordnung 6 um die
erste Achse 10 (= die dritte Achse 14) der Schultergelenksanordnung 5 gedreht
wird, so dass sie wie gezeigt seitlich des Rumpfs 1 (genauer, an
der linken Seite des Roboters von der zweiten Achse 12)
angeordnet ist.
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Wenn die Ellenbogengelenksanordnung 6 im Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung 5 um die erste Achse 10 (=
die dritte Achse 14) einwärts des Rumpfs 1 (genauer
an der rechten Seite des Roboters von der zweiten Achse 12)
gedreht wird, ist die Ellenbogengelenksanordnung 6 unterhalb
der waagerechten Ebene S gelegen. Tatsächlich kann die Ellenbogengelenksanordnung 6 im
Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung 5 jedoch nicht in jedwede
willkürliche
Position einwärts des
Rumpfs 1 gedreht werden, da der Arm 3 mit dem Kopf 2 und
dem Rumpf 1 zusammenstößt. Somit
ist der Bereich, in dem die Ellenbogengelenksanordnung 6 einwärts des
Rumpfs 1 gedreht werden kann, auf einen verhältnismäßig kleinen
Bereich beschränkt.
Zusätzlich
wird jegliche Gelegenheit für den
Roboter, im Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung 5 mit einwärts des Rumpfs 1 angeordneter
Ellenbogengelenksanordnung 6 zu arbeiten, als gering betrachtet.
Wenn die Ellenbogengelenksanordnung 6 im Singularitätszustand
der Schultergelenksanordnung 5 zu einer Position seitlich
des Rumpfs 1 gedreht wird, arbeitet der Arm 3 in
einem derartigen Zustand grundsätzlich
nicht, da die Ellenbogengelenksanordnung 6 über der
waagerechten Ebene S angeordnet ist.
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In dieser Ausführungsform arbeitet der Arm 3 daher
normalerweise fast ausschließlich
in einem Nichtsingularitätszustand
der Schultergelenksanordnung, wodurch die glatte Betriebsfähigkeit
des Arms 3 sichergestellt wird.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die Armstruktur des Roboters mit
menschlicher Morphologie nach der vorliegenden Erfindung ist für Master-Slave-Roboter
mit menschlicher Morphologie, deren Arme in der gleichen Weise wie menschliche
Arme betrieben werden, nützlich.