DE102012214599A1

DE102012214599A1 - Betätigung mit geringem Hub für einen seriellen Roboter

Info

Publication number: DE102012214599A1
Application number: DE102012214599A
Authority: DE
Inventors: Dalong Gao; Chris A. Ihrke
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2032-08-17
Also published as: US20130042715A1; JP2013043279A; JP5503702B2; US8776632B2; DE102012214599B4

Abstract

Ein serieller Roboter umfasst eine Basis, erste und zweite Segmente, ein proximales Gelenk, das die Basis mit dem ersten Segment verbindet, und ein distales Gelenk. Das distale Gelenk, das die Segmente verbindet, ist seriell angeordnet und mit Bezug auf das proximale Gelenk distal. Der Roboter enthält erste und zweite Stellglieder. Eine erste Sehne erstreckt sich von dem ersten Stellglied zu dem proximalen Gelenk und ist über das erste Stellglied selektiv bewegbar. Eine zweite Sehne erstreckt sich von dem zweiten Stellglied zu dem distalen Gelenk und ist über das zweite Stellglied selektiv bewegbar. Der Roboter umfasst ein Getriebe mit mindestens einem Getriebeelement, das eine Drehung des distalen Gelenks unterstützt, wenn von dem ersten und/oder zweiten Stellglied eine Eingabekraft auf das proximale und/oder distale Gelenk aufgebracht wird. Es wird auch eine Roboterhand mit dem vorstehenden Roboter offenbart, wie auch ein Robotersystem mit einem Torso, einem Arm und der vorstehend beschriebenen Hand.

Description

AUSSAGE HINSICHTLICH STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung unter dem NASA Space Act Agreement mit der Nummer SAA-AT-07-003 durchgeführt. Die hier beschriebene Erfindung kann von der oder für die US-Regierung für Zwecke der US-Regierung (d. h. nicht-kommerzielle Zwecke) hergestellt und verwendet werden, ohne dass darauf oder dafür Gebühren zu entrichten sind.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Bewegungssteuerung und die Verpackungskonstruktion eines sehnengetriebenen Fingers oder eines anderen seriellen Roboters.
HINTERGRUND
Roboter sind elektromechanische Vorrichtungen, die verwendet werden können, um Arbeitswerkzeuge oder andere Objekte zu manipulieren. Ein Roboter kann eine Reihe von Gliedern oder Segmenten enthalten. Als Folge werden derartige Roboter häufig als serielle Roboter bezeichnet. Die verschiedenen Segmente eines seriellen Roboters können durch ein oder mehrere stellgliedgetriebene Gelenke verbunden sein. Jedes Robotergelenk stellt eine unabhängige Steuervariable oder einen Freiheitsgrad dar.
Greiforgane sind die speziellen Segmente, die verwendet werden, um eine gegebene Arbeitsaufgabe auszuführen, wie etwa das Ergreifen und Bewegen eines Arbeitswerkzeugs.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird hier ein System zur Betätigung eines distalen Gelenks eines seriellen Roboters bereitgestellt. Speziell bei einem seriellen Roboter, zum Beispiel einem Roboterfinger mit mehreren Gelenken, können sich relativ große Hub- und Bereichsüberschreitungsfehler ergeben, wenn eine typische sehnengetriebene Gelenkkonfiguration verwendet wird. Ein derartiger serieller Roboter kann mindestens ein proximales Gelenk, z. B. ein Basisfingergelenk einer Roboterhand, und ein distales Gelenk enthalten. Die seriellen Gelenke sind mit Bezug zueinander durch starre Glieder oder Segmente verbunden. Optional kann ein oder können mehrere mediale Gelenke als Teil des seriellen Roboters verwendet werden, wobei jedes mediale Gelenk zwischen den proximalen und distalen Gelenken angeordnet ist. Wenn mediale Gelenke verwendet werden, ist das mit dem proximalen Gelenk verbundene mediale Gelenk mit Bezug auf das proximale Gelenk ”distal”, wie in der Technik gut verstanden wird. Der Einfachheit halber werden sich die hier dargestellten Beispiele auf ein proximales Gelenk und ein distales Gelenk beziehen, d. h. nur zwei Gelenke, die durch ein Segment verbunden sind.
Eine Betätigung von Robotergelenken wird in bestimmten Robotersystemen über eine motorgetriebene Sehne direkt und linear erreicht. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann sich ein relativ großer Hub ergeben, speziell, wenn ein distales Gelenk in einem seriellen Roboter unter Verwendung von Gelenkstellgliedern betätigt wird, die sich in der Nähe des proximalen Gelenks befinden. Dies wiederum kann den Bereich von verfügbaren Gelenkstellgliedern beschränken. Der vorliegende Ansatz zum Antreiben eines distalen Gelenks kann die Verwendung kleinerer Stellglieder und/oder kompakterer Verpackungskonstruktionen ermöglichen.
Insbesondere wird hier ein serieller Roboter offenbart, der eine Basis, erste und zweite Segmente und proximale und distale Gelenke umfasst. Der serielle Roboter umfasst außerdem ein Getriebe, das ausgestaltet ist, um die benötigte Bewegung des distalen Gelenks zu unterstützen. Das proximale Gelenk koppelt die Basis mit dem ersten Segment. Das distale Gelenk koppelt das erste und zweite Segment. Wenn der serielle Roboter optional als ein humanoider Finger einer Roboterhand ausgeführt ist, bildet die Basis eine Handfläche der Roboterhand und die ersten und zweiten Segmente bilden jeweils die proximalen und medialen Fingerglieder. Das Gelenk, welches das mittlere Fingerglied abschließt, wird als ”distal” mit Bezug auf das proximale Gelenk betrachtet und bildet daher das spezielle hier beschriebene distale Gelenk. Zusätzliche Gelenke können auf ähnliche Weise gesteuert werden, wie der Fachmann versteht.
Das distale Gelenk ist mit Bezug auf das proximale Gelenk seriell angeordnet. Der serielle Roboter enthält erste und zweite Stellglieder, beispielsweise eine Kugelrollspindel oder einen anderen Gelenkmotor. Eine erste Sehne erstreckt sich vom ersten Stellglied zum proximalen Gelenk und ist über das erste Stellglied bewegbar. Eine zweite Sehne erstreckt sich vom zweiten Stellglied zu dem distalen Gelenk und ist über das zweite Stellglied bewegbar.
Das Getriebe enthält ein oder mehrere Getriebeelemente. Bei einer speziellen Ausführungsform enthält das Getriebe einen Planetenradsatz, obwohl das Getriebe alternativ ein einziges Getriebeelement enthalten kann. Wenn ein einziges Getriebeelement verwendet wird, kann das Getriebeelement ein Riemenscheibenrad mit einem versetzten Mittelpunkt sein. Mindestens eines der Getriebeelemente kann an der Basis/Handfläche positioniert sein. Unabhängig von der Ausführungsform unterstützt das vorliegend offenbarte Getriebe eine Drehung des distalen Gelenks immer dann, wenn durch das erste und/oder das zweite Stellglied eine Eingabekraft aufgebracht wird.
Außerdem wird eine Roboterhand offenbart. Die Hand enthält eine Handfläche und mindestens einen Roboterfinger, der mit der Handfläche wirksam verbunden ist. Jeder Finger bildet einen seriellen Roboter mit ersten und zweiten Fingergliedern, einem proximalen Gelenk, das die Handfläche mit dem ersten Fingerglied verbindet, und einem distalen Gelenk, das seriell angeordnet ist und mit Bezug auf das proximale Gelenk distal ist. Das distale Gelenk verbindet das erste Fingerglied mit dem zweiten Fingerglied.
Die Hand enthält einen ersten und einen zweiten Gelenkmotor. Eine erste Sehne erstreckt sich vom ersten Gelenkmotor zum ersten Gelenk. Die erste Sehne ist über den ersten Gelenkmotor selektiv bewegbar. Eine zweite Sehne erstreckt sich vom zweiten Stellglied zu dem distalen Gelenk. Auf ähnliche Weise ist die zweite Sehne über den zweiten Gelenkmotor selektiv bewegbar. Ein Getriebe kann zumindest teilweise innerhalb der Handfläche positioniert sein. Das Getriebe weist mindestens ein Getriebeelement auf, das ausgestaltet ist, um eine Drehung des distalen Gelenks zu unterstützen, wenn durch einen jeweiligen der ersten und zweiten Gelenkmotoren eine Eingabekraft auf das proximale und/oder distale Gelenk aufgebracht wird.
Zudem wird ein Robotersystem offenbart, das einen Torso, einen Arm, der mit dem Torso verbunden ist und mit Bezug auf den Torso beweglich ist, und eine Roboterhand, die mit dem Arm verbunden ist, umfasst. Die Hand enthält eine Vielzahl von Roboterfingern, z. B. fünf bei einer beispielhaften Ausführungsform, die jeweils mit einer Handfläche der Hand verbunden sind und sich von dort aus erstrecken. Jeder Finger bildet einen seriellen Roboter mit einem Getriebe mit mindestens einem Getriebeelement. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist das bzw. sind die Getriebeelemente ausgestaltet, um eine Drehung des distalen Gelenks zu unterstützen, wenn von einem jeweiligen der ersten und zweiten Gelenkmotoren eine Eingabekraft auf das proximale und/oder distale Gelenk aufgebracht wird.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung in einer perspektivischen Ansicht eines Systems, das einen seriellen Roboter in der Form eines beispielhaften sehnengetriebenen humanoiden Fingers verwendet.
2 ist eine Darstellung in einer perspektivischen Ansicht eines beispielhaften Stellglieds, das zum Drehen eines Gelenks des seriellen Roboters unter Verwendung einer Sehne geeignet ist.
3 ist eine schematische Darstellung eines seriellen Roboters mit einem distalen Gelenk, das über ein Getriebe selektiv bewegbar ist, wobei verschiedene Ausführungsformen desselben hier offenbart sind.
4 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Getriebes mit mehreren Getriebeelementen, welche gemeinsam eine gewünschte Drehbewegung eines distalen Gelenks bereitstellen.
5 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform eines Getriebes, das ein einziges Getriebeelement zum Bewegen eines distalen Gelenks in einem seriellen Roboter aufweist.
6 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Getriebes mit einer Riemenscheibe mit einem versetzten Mittelpunkt.
7 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Getriebes mit einer Riemenscheibe mit einem verstellbaren versetzten Mittelpunkt, die in einer ersten Position gezeigt ist.
8 ist eine schematische Darstellung der Riemenscheibe von 7, die in einer zweiten Position gezeigt ist.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten in den mehreren Ansichten bezeichnen, zeigt 1 ein schematisches beispielhaftes Robotersystem 10, das ausgestaltet ist, um eine oder mehrere Arbeitsaufgaben mit vielen Freiheitsgraden (DOF), z. B. bei der speziellen gezeigten Ausführungsform über 42 Freiheitsgraden, auszuführen. Bei dem gezeigten Beispiel, das nicht einschränken soll, kann das System 10 ein geschickter humanoider Roboter mit einem Kopf 12, einem Torso 14, einer Taille 15 und Armen 16 sein, die sich mit Bezug auf den Torso 14 bewegen. Die Arme 16 können eine Unterarmanordnung 24 mit einer Roboterhand 18 umfassen, wobei sich jede Hand 18 mit Bezug auf den Arm 16, mit dem sie verbunden ist, bewegt.
Die Roboterhand 18 kann einen oder mehrere Roboterfinger 19 und einen gegenüberstellbaren Daumen 21 umfassen. Die Finger 19 sind im Speziellen ein Beispiel dafür, was hier als serieller Roboter bezeichnet wird, das heißt eines Robotermechanismus mit seriell angeordneten Gelenken und Segmenten. Somit bildet jeder der Daumen 21 einen zusätzlichen seriellen Roboter. Der Einfachheit halber sollen die Daumen 21 bei den verschiedenen anschließenden Beispielen als Finger aufgefasst werden. Der Fachmann wird leicht feststellen, dass andere serielle Roboter betrachtet werden können, sei es als Teil des in 1 gezeigten Humanoiden oder nur als ein Abschnitt desselben, wobei der serielle Roboter so gesteuert wird, wie hier offengelegt ist.
Das beispielhafte Robotersystem 10 von 1 kann eine für eine Aufgabe geeignete Halterung oder Basis (nicht gezeigt) enthalten, wie etwa Beine, Laufflächen oder eine andere bewegliche oder starre Basis in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung. Eine Stromversorgung 13, etwa ein wiederaufladbarer Batteriestapel, kann verwendet werden, um genügend elektrische Energie für die verschiedenen Gelenke zur Bewegung derselben bereitstellen, wobei sie wie gezeigt mit dem Torso 14 verbunden sein kann oder mit Bezug auf den Torso 14 abgesetzt positioniert sein kann.
Mit Bezug auf 2 kann eine Gelenkstellgliedanordnung 26 verwendet werden, um einen Finger 19 oder einen anderen seriellen Roboter zu bewegen, indem eine Kraft auf eine Sehne 40 aufgebracht wird, die bei einem Gelenk des Fingers 19 endet. Das Gelenk kann als Getriebestufe, Drehgelenk usw. ausgeführt sein. Bei einer Ausführungsform eines humanoiden Fingers kann ein derartiges Gelenk an einem der verschiedenen Fingergelenke des Fingers 19 positioniert sein.
Bei einer speziellen Ausführungsform kann die Gelenkstellgliedanordnung 26 ein Stellglied 34, z. B. einen geeigneten Gelenkmotor wie etwa einen Kugelrollspindelmotor, einen Getriebeantrieb 36 zum Übertragen einer Kraft vom Stellglied 34 an die Sehne 40, ein Stellgliedgehäuse 38, die Sehne 40 und einen Sehnenabschluss 42 umfassen. Die Sehne 40 kann sich vom Stellgliedgehäuse 38 aus entlang der Länge des Fingers 19, der gesteuert wird, erstrecken. Das Stellglied 34, der Getriebeantrieb 36 und das Stellgliedgehäuse 38 können alle in der Unterarmanordnung 24 verpackt sein, wenn sie mit dem in 1 gezeigten speziellen humanoiden Robotersystem 10 verwendet werden, oder an einer anderen geeigneten Stelle des Systems 10.
Die Sehne 40 kann durch eine Leitungsauskleidung 44 und eine Leitung 46 geschützt sein, zum Beispiel ein geflochtenes Material mit einer hohen Zugfestigkeit, das ausreichend beständig gegen Strecken und Kriechdehnung ist. Die Leitung 46 kann sich vom Stellgliedgehäuse 38 zu einem Spannungssensor 48 erstrecken. Wenn das Stellglied 26 die Sehne 40 bewegt, verschiebt sich die Sehne 40 relativ zum Spannungssensor 48, der an einer Handstütze (nicht gezeigt) starr montiert sein kann. Die Sehne 40 endet im Finger 19 an einer gewünschten Stelle über den Sehnenabschluss 42. Eine Bewegung der Sehne 40 bewirkt somit eine Relativbewegung des Sehnenabschlusses 42, welche den Finger 19 bewegen kann, indem ein spezielles Segment des Fingers 19 relativ zu einem Fingergelenk oder Gelenk gedreht wird. In allen folgenden Figuren wird der Hub an jedem Getriebeelement oder Gelenk durch die Formel ω_xr_xdt angezeigt, wobei X die Bezugsnummer des zugehörigen Getriebeelements/Gelenks darstellt, z. B. 51 für das proximale Gelenk.
Mit Bezug auf 3 ist ein beispielhafter serieller Roboter 119 gezeigt. Der serielle Roboter 119 weist ein proximales Gelenk 51, ein distales Gelenk 52, eine Basis 118, ein erstes Segment 57 und ein zweites Segment 56 auf. Wenn der serielle Roboter 119 ein Roboterfinger 19 ist, wie in 1 gezeigt, kann die Basis 118 aus der Handfläche der Hand 18, die in der gleichen Figur gezeigt ist, gebildet sein, während die ersten und zweiten Segmente 57 und 56 verschiedene Fingerglieder dieses Fingers 19 bilden. Optional kann der serielle Roboter 119 ein weiteres distales Gelenk 53 und ein drittes Segment 55 umfassen, z. B. wenn der serielle Roboter 119 als ein humanoider Finger ausgestaltet ist. Bei einer Ausführungsform, in der das zweite Segment 56 das Endsegment ist, etwa wenn der Roboter 119 ein Daumen 21 des in 1 gezeigten Typs ist, ist die Stelle der Spitze des seriellen Roboters 119 durch Pfeil 54 angezeigt. Wenn das dritte Segment 55 verwendet wird, z. B., wenn der Roboter 119 als ein Finger 19 ausgestaltet ist, wie er in 1 gezeigt ist, ist die Stelle der Spitze durch Pfeil 154 angezeigt.
Das proximale Gelenk 51 verbindet die Basis 118 mit dem ersten Segment 57. Das distale Gelenk 52 verbindet das erste Segment 57 mit dem zweiten Segment 56. Falls verwendet, kann bzw. können das bzw. die zusätzlichen distalen Gelenke 53 mit Bezug auf das distale Gelenk 52 abhängig oder unabhängig in einer Weise betätigt werden, die ähnlich zu derjenigen ist, die nachstehend offengelegt wird. Somit bezeichnet bei der Verwendung hierin der Begriff ”distal” die relative Stelle eines gegebenen Gelenks mit Bezug auf das Basisgelenk 51.
Zum Antreiben eines beweglichen Gelenks, wie etwa des distalen Gelenks 52, mit einem speziellen Antriebsdrehmoment (Pfeil T₅₂) oder des optionalen distalen Gelenks 53 mit einem Antriebsdrehmoment (Pfeil T₅₃) leiten herkömmliche sehnengetriebene Ansätze eine Sehne 40 (siehe 2) über ein gemeinsames Gelenk, gewöhnlich das proximale Gelenk 51, auf welches ein Antriebsdrehmoment (Pfeil T₅₁) aufgebracht wird, und können somit einen größeren Hubbetrag als optimal bereitstellen. Dies tritt teilweise wegen des Bedürfnisses zur Veränderung der Länge einer oder mehrerer Sehnen 40 auf, um den sich verändernden Winkel zwischen dem Basisgelenk 51 und dem distalen Gelenk 52 zu kompensieren, d. h.: ω₅₂r₅₂dt = θ .₅₁r₅₁dt + θ .₅₂r₅₂dt wobei ω die Winkelgeschwindigkeit eines speziellen Gelenks mit Bezug auf die Umgebung ist, r der Radius dieses Gelenks ist und θ . die Änderungsrate des Gelenkwinkels zwischen den zwei verbundenen Segmenten ist. Ein ungewollter übermäßiger Hub kann von den verschiedenen sich bewegenden Gelenken unter Verwendung der Getriebeausführungsformen getrennt werden, die nachstehend mit Bezug auf 4–8 offengelegt sind.
Um diesen Hub zu verringern, kann mit Bezug auf 4 ein Getriebe 60 in Verbindung mit dem proximalen Gelenk 51 und dem distalen Gelenk 52 verwendet werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 4 kann das Getriebe 60 jeweilige erste, zweite, dritte und vierte Getriebeelemente 58, 151, 152 und 252 umfassen, wobei einige dieser Getriebeelemente optional einen epizyklischen oder einen Planetenradsatz mit mehreren in Eingriff stehenden Zahnrädern ausbilden, um eine gewünschte Ausgangsdrehung bereitzustellen. Mindestens eines der Getriebeelemente 58, 151, 152 und 252 kann an der Basis 118 nahe bei dem proximalen Gelenk 51 positioniert sein.
Die gewünschte Drehung des proximalen Gelenks 51 wird von einem Stellglied 34 durch eine Sehne 40 unabhängig bereitgestellt. Das erste Getriebeelement 58 des Getriebes 60 kann zwischen dem proximalen Gelenk 51 und dem zweiten Getriebeelement 151 angeordnet sein, um eine gewünschte Drehung des zweiten Getriebeelements 151 bereitzustellen, wobei die Drehung proportional zu der Drehung des proximalen Gelenks 51 ist und in die gleiche Richtung geht.
Ein Antriebselement 70 wie etwa ein Antriebsriemen kann verwendet werden, um das distale Gelenk 52 mit dem dritten Getriebeelement 152 zu verbinden. Das dritte Getriebeelement 152 kann koaxial zum proximalen Gelenk 51 sein, wie durch Linie 72 angezeigt ist, welche auf schematische Weise eine koaxiale Ausrichtung darstellt, ohne in irgendeiner Weise anzuzeigen, dass das erste Getriebeelement 152 und das proximale Gelenk 51 ein Antriebselement mit einem gemeinsamen Mittelpunkt gemeinsam nutzen. Auf ähnliche Weise kann ein viertes Getriebeelement 252 koaxial zum zweiten Getriebeelement 151 sein, wie durch eine Linie 74 angezeigt ist. Das proximale Gelenk 51 und das dritte Getriebeelement 152 drehen sich unabhängig mit Bezug zueinander.
Das vierte Getriebeelement 252 ist mit dem dritten Getriebeelement 152 derart gekoppelt, dass die Drehung des vierten Getriebeelements 252 proportional zu der Drehung des dritten Getriebeelements 152 ist, aber in eine entgegengesetzte Drehrichtung. Das vierte Getriebeelement 252 und das zweite Getriebeelement 151 können bei einer möglichen Ausführungsform ein Sonnenrad und ein Hohlrad/Annulus eines Planetenradsatzes sein, wobei ein Planetenträger ein oder mehrere periphere Planetenräder oder Ritzel trägt, die betätigt werden, um eine gewünschte Drehung des distalen Gelenks 52 bereitzustellen. Alternativ können das zweite und vierte Getriebeelement 151 bzw. 252 als zueinander weisende Kegelräder ausgestaltet sein, wie in der Technik verstanden wird.
Auf diese Weise kann der gewünschte Hub des distalen Gelenks 52, der über ein weiteres Stellglied 134 und durch eine weitere Sehne 140 bereitgestellt wird, dargestellt werden als:
wobei v die lineare Geschwindigkeit eines Sehnenbefestigungspunkts an dem distalen Gelenk 52 ist und angenommen wird, dass r₅₁ = r₅₂ = r₁₅₁ = r₁₅₂ = r₂₅₂ ist. Folglich koppelt das Getriebe 60 das proximale Gelenk 51 mit dem distalen Gelenk 52, um das Bereitstellen einer Drehung des distalen Gelenks 52 immer dann zu unterstützen, wenn eine Eingabekraft von dem Stellglied 134 auf das distale Gelenk 52 aufgebracht wird.
Mit Bezug auf 5 kann bei einer anderen Ausführungsform ein Getriebe 160 ein einziges Getriebeelement 352 statt eines Planetenradsatzes oder mehrerer ein Eingriff stehender Kegelräder verwenden. Hier wird das proximale Gelenk 51 über ein Stellglied und eine Sehne (nicht gezeigt) angetrieben. Zum Antreiben des distalen Gelenks 52 ist ein weiteres Stellglied 234 mit dem Mittelpunkt des Getriebeelements 352 wie gezeigt verbunden. Es kann möglich sein, dass sich der Mittelpunkt des Getriebeelements 352 in die Richtungen bewegt, die durch den Doppelpfeil 80 angezeigt sind, etwa durch Bewegen des Getriebeelements 352 innerhalb einer Führung oder einer Gleitvorrichtung (nicht gezeigt).
Eine weitere Sehne 240 oder alternativ ein Riemen oder ein anderer Antriebsmechanismus ist an dem distalen Gelenk 52 und dem proximalen Gelenk 51 verankert. Die Sehne 240 bildet eine Schleife um das Getriebeelement 352 herum. Somit ist das Getriebeelement 352 zwischen den jeweiligen proximalen und distalen Gelenken 51 und 52 angeordnet.
Die Mittelpunkte der proximalen und distalen Gelenke 51 und 52 sind folglich befestigt, zum Beispiel jeweils an der Basis 118 und am ersten Segment 57. Das Getriebeelement 352 kann sich bei Bedarf mit Bezug auf die Basis 118 in Ansprechen auf eine erhöhte oder verringerte Spannung an einer anderen Sehne 340, die über das Stellglied 234 aufgebracht wird, bewegen.
Mit Bezug auf 6 kann bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ein Getriebe 260 eine Riemenscheibe 59 enthalten. Die Riemenscheibe 59 kann relativ zu demjenigen der jeweiligen Basis und distalen Gelenke 51 und 52 einen verringerten Durchmesser und/oder einen mit Bezug auf einen Mittelpunkt des proximalen Gelenks 51 versetzten Mittelpunkt aufweisen. Die Riemenscheibe 59 kann wie gezeigt an dem oder in der Nähe des proximalen Gelenks 51 positioniert sein. Eine weitere Sehne 540 kann mit dem distalen Gelenk 52 verbunden sein und über ein weiteres Stellglied 434 angetrieben werden. Das proximale Gelenk [engl.: gear] 51 wird von einer Sehne 640 und einem Stellglied 534 angetrieben.
Da eine Riemenscheibe 59, die einen zu kleinen Durchmesser aufweist, möglicherweise zu einer erhöhten Ermüdung an der Sehne 540 führen kann, kann ein versetzter Mittelpunkt der Riemenscheibe 59 mit Bezug auf das proximale Gelenk 51 wie gezeigt die Verwendung einer größeren Riemenscheibe 59 ermöglichen, während dennoch die gewünschte Drehung des distalen Gelenks 52 bereitgestellt wird.
Wie in 7 und 8 gezeigt ist, kann die Riemenscheibe 59 über ein optionales Getriebe 360 optional eine Nut 84 mit Nutenden 90 und 91 definieren. Eine bewegliche Stiftanordnung 86 kann in der Nut 84 angeordnet sein. Die Stiftanordnung 86 ist über ein starres Glied 82 mit einem Verankerungspunkt 92 auf dem ersten Segment 57 verankert. Der versetzte Mittelpunkt der Riemenscheibe 59 kann über die Nut 84 und die Stiftanordnung 86 verstellbar sein.
Das heißt, wenn sich ein serieller Roboter 119 wie in 3 gezeigt öffnet, oder ausstreckt, wie in 7 gezeigt, bewegt sich der Mittelpunkt der Riemenscheibe 59 zu der rechten Seite der Nut 84 in die Position, die beim Nutende 91 gezeigt ist. Wenn sich der serielle Roboter 119 wieder schließt, bewegt sich der Mittelpunkt der Riemenscheibe 59 zurück zu der linken Seite der Nut 84 in die Position, die beim Nutende 90 in 8 gezeigt ist. Die in 7 und 8 gezeigte Koppelglied/Nutkonstruktion kann auch durch andere Mechanismen erreicht werden, etwa ein seilgetriebenes System oder ein Zahnradsystem. Außerdem können die vorstehend mit Bezug auf 3–5 beschriebenen speziellen Konstruktionsausführungsformen auf Gelenke erweitert werden, die zum Basiselement distaler sind, z. B. das in 3 gezeigte Gelenk 53.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.

Claims

Serieller Roboter, der umfasst: eine Basis; ein erstes Segment; ein proximales Gelenk, das die Basis mit dem ersten Segment verbindet; ein zweites Segment; ein distales Gelenk, das seriell angeordnet ist und mit Bezug auf das proximale Gelenk distal ist und das erste Segment mit dem zweiten Segment verbindet; ein erstes und ein zweites Stellglied; eine erste Sehne, die sich von dem ersten Stellglied zu dem ersten Gelenk erstreckt, wobei die erste Sehne über das erste Stellglied selektiv bewegbar ist; eine zweite Sehne, die sich von dem zweiten Stellglied zu dem distalen Gelenk erstreckt, wobei die zweite Sehne über das zweite Stellglied selektiv bewegbar ist; und ein Getriebe mit mindestens einem Getriebeelement, das ausgestaltet ist, um eine Drehung des distalen Gelenks zu unterstützen, wenn eine Eingabekraft auf das proximale und/oder distale Gelenk durch ein jeweiliges der ersten und zweiten Stellglieder aufgebracht wird.
Serieller Roboter nach Anspruch 1, wobei das Getriebe einen Planetenradsatz mit einer Vielzahl von Getriebeelementen als dem mindestens einen Getriebeelement umfasst.
Serieller Roboter nach Anspruch 1, wobei das Getriebe einen Antriebsriemen umfasst, der zwischen dem distalen Gelenk und dem proximalen Gelenk verbunden ist, und wobei das mindestens eine Getriebeelement ein einziges Getriebeelement ist.
Serieller Roboter nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Getriebeelement ein einziges Getriebeelement ist, das an der Basis angeordnet ist und mit Bezug auf diese bewegbar ist.
Serieller Roboter nach Anspruch 4, wobei das einzige Getriebeelement eine Riemenscheibe mit einem mit Bezug auf das proximale Gelenk versetzten Mittelpunkt ist.
Serieller Roboter nach Anspruch 5, wobei der versetzte Mittelpunkt der Riemenscheibe in Ansprechen auf eine Veränderung bei einem Winkel zwischen dem ersten und zweiten Segment variabel ist.
Serieller Roboter nach Anspruch 6, wobei die Riemenscheibe eine Nut definiert, die einen beweglichen Stift enthält, der über ein starres Bindeglied an dem zweiten Segment verankert ist.
Robotersystem, das umfasst: einen Torso; einen Arm, der mit dem Torso verbunden ist und mit Bezug auf den Torso bewegbar ist; und eine Roboterhand, die mit dem Arm verbunden ist und mit Bezug auf den Arm bewegbar ist, wobei die Hand eine Vielzahl von Roboterfingern enthält, die jeweils mit einer Handfläche der Hand verbunden sind und sich von dieser weg erstrecken, und wobei jeder Finger einen seriellen Roboter bildet, der aufweist: ein erstes Fingerglied; ein proximales Gelenk, das die Handfläche mit dem ersten Fingerglied verbindet; ein zweites Fingerglied; ein distales Gelenk, das seriell angeordnet ist und mit Bezug auf das proximale Gelenk distal ist und das erste Fingerglied mit dem zweiten Fingerglied verbindet; einen ersten und einen zweiten Gelenkmotor; eine erste Sehne, die sich von dem ersten Gelenkmotor zu dem ersten Gelenk erstreckt, wobei die erste Sehne über den ersten Gelenkmotor selektiv bewegbar ist; eine zweite Sehne, die sich vom zweiten Stellglied zu dem distalen Gelenk erstreckt, wobei die zweite Sehne über den zweiten Gelenkmotor selektiv bewegbar ist; und ein Getriebe, das zumindest teilweise in der Handfläche positioniert ist und mindestens ein Getriebeelement aufweist, das ausgestaltet ist, um eine Drehung des distalen Gelenks zu unterstützen, wenn durch einen jeweiligen der ersten und zweiten Gelenkmotoren eine Eingabekraft auf das proximale und/oder das distale Gelenk aufgebracht wird.
Robotersystem nach Anspruch 8, wobei das Getriebe ein Planetenradsatz ist, der als das mindestens eine Getriebeelement eine Vielzahl von Getriebeelementen aufweist.
Robotersystem nach Anspruch 8, wobei das mindestens eine Getriebeelement ein einziges Getriebeelement mit einem versetzten Mittelpunkt ist.