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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese internationale Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Nummer 62/041,332 für "Cable Guide System for Robotic Mechanical Manipulator Structure", die am 25. August 2014 eingereicht wurde; der vorläufigen Patentanmeldung mit der Nummer 62/087,664 für "Tendon Configuration for Under-Actuated Robotic Manipulator With Progressive Wrapping Links", die am 4. Dezember 2014 eingereicht wurde; der vorläufigen Patentanmeldung mit der Nummer 62/165,080 für "Tendon Configuration for Under-Actuated Robotic Manipulator With Progressive Wrapping Links", die am 21. Mai 2015 eingereicht wurde; und der vorläufigen Patentanmeldung mit der Nummer 62/165,074 für "Apparatus and Method for Attaching Apparatus to Robotic Fingers", die am 21. Mai 2015 eingereicht wurde, wobei die Inhalte von diesen allen in diese Offenbarung vollständig durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
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HINTERGRUND
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft allgemein Robotermechanismen mit seriellen Gliederstrukturen, die Drehgelenke verwenden, etwa mechanische Manipulatoren, Robotergreifer und Gliedmaßen zur Verwendung in Robotikanwendungen.
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Stand der Technik
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Robotermechanismen mit seriellen Gliederstrukturen unter Verwendung von Drehgelenken umfassen Robotergreifer, die allgemein mit einem Ende von Roboterarmen verbunden sind. Robotergreifer, die aus Gliedern und Gelenken aufgebaut sind, die auf ähnliche Weise auf Finger einwirken, sind anfällig für Beschädigungen. Es ist leicht, die Finger von Robotergreifern versehentlich zu brechen, wenn der Roboter die Finger gegen harte Oberflächen schlägt. Dies ist dort besonders wahrscheinlich, wo Roboter in nicht strukturierten Umgebungen verwendet werden, bei denen die Rückkopplungssysteme und die dynamische Steuerung des Roboters möglicherweise nicht in der Lage sind, derartige Unfälle zu verhindern.
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Potentielle Lösungen umfassen, dass Robotergreifer und Finger sehr fest oder sehr biegsam gestaltet werden. Beide Lösungen wurden implementiert. Eine erhöhte Festigkeit führt für gewöhnlich zu erhöhtem Gewicht und erhöhten Kosten, wobei beides das Verhalten und das Überleben auf dem Markt der Rotobergreifer negativ beeinflusst. Eine andere Alternative besteht darin, die Flexibilität der Finger zu erhöhen, aber dies tauscht Steifigkeit durch Flexibilität aus, was negative Auswirkungen auf das Verhalten bei der Funktionalität des Robotergreifers aufweisen kann.
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Robotergreifer können in zwei Klassen unterteilt werden, nämlich intrinsische und extrinsische Robotergreifer. Bei intrinsischen Robotergreifern befinden sich die Motoren in oder nahe bei den Gelenken, die sie steuern. Extrinsische Robotergreifer verwenden für gewöhnlich irgendeine Art von Sehne oder Seilzug zwischen den Gelenken, die sie steuern, und einen Aktor, der von den Gelenken entfernt angeordnet ist.
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Eine Lösung zum Schützen von Fingern vor Beschädigungen wurde unter Verwendung von Magneten entwickelt, um den Finger an der Handfläche des Robotergreifers festzuhalten, die aber von der Handfläche "abbrechen", wenn ein starker Aufprall auf die Finger stattfindet. Diese Lösung funktioniert gut beim Schützen der Finger vor Beschädigungen, während gute strukturelle Eigenschaften der Finger beibehalten werden. Jedoch befinden sich bei dieser Lösung sowohl der Finger als auch der Motor an dem "abbrechenden" Abschnitt der Finger, was einer intrinsischen Fingerkonstruktion ähnlicher ist.
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Eine Schwäche dieser Konstruktion besteht darin, dass die Kraft, die durch die Finger aufgebracht werden kann, durch die Stärke der magnetischen Verbindung zwischen dem Finger und dem Robotergreifer begrenzt ist. Folglich benötigt ein sehr kräftiger Finger eine sehr starke magnetische Verbindung mit der Handfläche des Robotergreifers. Je stärker das Magnetfeld in der Handfläche des Robotergreifers ist, desto stärker ist die magnetische Interaktion mit der Arbeitsumgebung des Roboters, was zu negativen Konsequenzen durch Anziehen ferromagnetischer Komponenten oder Partikel oder durch Stören von magnetisch empfindlicher Ausrüstung führen kann.
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Ein weitere Schwäche der existierenden Herangehensweise der magnetischen Befestigung von Fingern besteht darin, dass dann, wenn der Finger von der Handfläche des Robotergreifers abgeschlagen wird, der Finger nicht mehr am Roboter angebracht ist und nicht einfach ohne menschliche Intervention oder einen sehr intelligenten Roboter wieder angebracht werden kann. Wenn ein Roboter beispielsweise in einem kontaminierten Katastrophengebiet betrieben wird, in dem Menschen nicht arbeiten können, und der Finger abgeschlagen wird, gibt es einen signifikanten Mehraufwand beim Auffinden des Fingers und dem erneuten Anordnen an der Handfläche.
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Bei der existierenden magnetischen Befestigung von Fingern wird die Kraft der Last auf den Finger vollständig durch die Magnete abgestützt. Da es zwei Typen von Kräften gibt, die auf den Finger einwirken, nämlich eine gewünschte Last und eine nicht gewünschte Last (unbeabsichtigter Aufprall), ist es sehr viel wahrscheinlicher, dass die Finger abfallen, während sie mit einer gewünschten Last beaufschlagt sind. Wenn die Finger nicht unter Last stehen, weisen sie eine sehr starke Kraft auf, die sie am Robotergreifer festhält. Dies begrenzt ihren Schutz, wenn sie ihn am meisten brauchen.
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Schließlich ist der Stand der Technik für eine magnetische Befestigung von Fingern in Robotergreifern nicht auf extrinsische Architekturen anwendbar, die Sehnen zum Übertragen von Kraft auf Gelenke verwenden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der Erfindung besteht ein Robotermechanismus mit einer seriellen Gliederstruktur unter Verwendung von Drehgelenken aus mindestens zwei sequentiellen Stücken, die nur durch die Druckkraft einer mechanischen Spannung an Sehnen zusammengehalten werden, welche die Schnittstelle der Gliederstücke überspannen. Wenn eine Kraft auf die Gliederstruktur des Robotermechanismus auftrifft, kann das Glied, das aus sequentiellen Stücken besteht, derart auseinander gezogen werden, dass der Rest der Struktur nicht bricht. Wenn die zwei Stücke entweder manuell oder automatisch wieder ausgerichtet werden, wird die Ausrichtung der zwei Gliederstücke wieder so ausgerichtet, dass der Weg der Sehnen zwischen den zwei Gliederstücken verläuft. Das Ergebnis ist, dass der Gliederstruktur kein Schaden zugefügt wird (d.h. der Finger wird auseinander gezogen, bricht aber nicht).
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In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird zusätzlich zu den Sehnen ein geformter Sockel zwischen den zwei sequentiellen Stücken des Glieds verwendet. Wenn die Sehnen unter einer mechanischen Spannung stehen, werden die zwei Stücke des Gliedes durch die Sehnen zusammengehalten und ausgerichtet. Die komplementäre Passung der zwei Stücke in dem Sockel stellt einen weiteren Ausrichtungsmechanismus bereit.
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Die Form der Sockelverbindung soll eine Ausrichtung der zwei Gliederstücke bereitstellen, soll aber die Winkelbeziehung der zwei Gliederstücke nicht auf eine Weise beschränken, die verhindern könnte, dass die zwei Gliederstücke unter Einwirkung einer schädigenden Last auseinander gezogen werden.
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In Übereinstimmung mit einem dritten Aspekt der Erfindung besteht ein Glied in einer auf Sehnen beruhenden Struktur aus mindestens zwei sequentiellen Stücken mit einem magnetischen Paar, das eine Anziehungskraft zwischen den zwei Gliederstücken bereitstellt. Zudem überspannen Sehnen die Schnittstelle zwischen den Gliederstücken, um eine weitere Kraft bereitzustellen, welche die Gliederstücke zusammen hält. Die Struktur der Gliederstücke soll nur unter Verwendung der Sehnen stabil gehalten werden, wenn diese unter mechanischer Spannung stehen. Die Struktur der Gliederstücke soll nur unter Verwendung der magnetischen Kraft zwischen den Gliederstücken zusammengehalten werden.
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Das magnetische Paar kann aus zwei Magneten, einem Magnet und einem Stück eines metallischen Materials wie etwa Eisen oder eine beliebige Kombination aus Magneten und magnetischem Material bestehen, die eine magnetische Anziehung zwischen den Paaren bereitstellt.
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In Übereinstimmung mit einem vierten Aspekt der Erfindung können zwei Gliederstücke Sehnen, Sockel und magnetische Paare kombinieren, um Kräfte bereitzustellen, welche die Glieder zusammenhalten und einen Sockel, der die zwei Stücke ausrichtet.
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In Übereinstimmung mit einem fünften Aspekt der Erfindung kann eine Kombination von magnetischen Paaren die automatische Ausrichtung der zwei Gliederstücke verbessern. Dies kann unter Verwendung von drei oder mehr Magneten bewerkstelligt werden, die eine Ausrichtung auf der Grundlage der Polarität der Magnete bereitstellen. Eine beispielhafte Implementierung verwendet vier Magnete in zwei Paaren. Zwei Magnete befinden sich in der ersten Hälfte des Glieds und zwei Magnete befinden sich in der zweiten Hälfte des Glieds. Die Magnete sind so eingerichtet, dass die Magnete in der ersten Hälfte des Glieds auf die Magnete in der zweiten Hälfte des Glieds ausgerichtet sind. Jedoch sind die zwei Paare sich anziehender Magnete mit entgegengesetzten Polaritäten eingerichtet, so dass sie sich nur in eine Richtung aneinanderheften können. Dies erhöht die Robustheit eines Glieds, wenn es aus dem Sockel herausgeschlagen wird, und verbindet es automatisch erneut, indem sichergestellt wird, dass das Glied korrekt ausgerichtet wird.
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In Übereinstimmung mit einem sechsten Aspekt der Erfindung befinden sich die Gliederstücke nahe bei einem Gelenk zwischen einem Roboterfinger und einer Handfläche eines Robotergreifers.
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In Übereinstimmung mit einem siebten Aspekt der Erfindung kann eine beliebige Kombination aus Magneten und magnetischem Metall in dem Finger und der Handfläche platziert sein, welche zusammen eine magnetische Anziehung erreichen. Der Magnet kann sich in der Basis des Fingers oder in der Handfläche oder in beiden befinden. Das komplementäre Metall kann sich entweder in der Basis des Fingers oder in der Handfläche befinden. Oder es kann an beiden Stellen ein Magnet verwendet werden.
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In Übereinstimmung mit einem achten Aspekt der Erfindung, muss die Stärke der magnetischen Verbindung zwischen den Gliederstücken stark genug sein, um das Glied unter Last in Position zu halten, aber schwächer als die Kraft sein, die zum Zerbrechen oder Beschädigen eines Glieds notwendig ist. Daher ist es möglich, dass die Verbindungskraft für ein starkes Glied stärker ist und für ein Glied mit geringerer Stärke schwächer sein soll.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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1A ist ein Diagramm, das einen Satz von Gliedern und Gelenken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt, welche durch Sehnen betätigt werden, wobei das Glied in der Mitte zwei Stücke umfasst, die durch die mechanische Spannung in den Sehnen zusammengehalten werden.
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1B ist ein Diagramm, das den Satz von Gliedern und Gelenken von 1 zeigt, während er auseinander bricht, wobei ein vorbestimmtes Drehmoment oder eine vorbestimmte Kraft, das/die jenseits des normalen Bewegungsbereichs für die Glieder liegt, oder eine vorbestimmte Kraft, die an den Gliedern zieht, aufgebracht wird.
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2 ist ein Diagramm, das einen Satz von Gliedern und Gelenken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt, bei welchem das mittlere Glied zwei Segmente, die durch die mechanische Spannung in den Sehnen zusammengehalten werden, und eine Sockelschnittstelle zwischen den zwei Segmenten enthält.
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3 ist ein Diagramm, das einen Satz von Gliedern und Gelenken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt, bei welchem das mittlere Glied zwei Segmente enthält, die durch die mechanische Spannung in den Sehnen und durch ein magnetisches Paar zwischen den zwei Segmenten zusammengehalten werden.
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4 ist ein Diagramm, das einen Satz von Gliedern und Gelenken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt, bei welchem das mittlere Glied zwei Segmente enthält, die durch die mechanische Spannung der Sehnen und durch ein magnetisches Paar zwischen den zwei Segmenten zusammengehalten und durch eine Sockelschnittstelle zwischen den zwei Stücken ausgerichtet werden.
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5 ist ein Diagramm, das einen Satz von Gliedern und Gelenken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt, in welcher das mittlere Glied zwei Segmente enthält, die durch die mechanische Spannung in den Sehnen und durch zwei magnetische Paare zwischen den zwei Segmenten zusammengehalten werden, welche eine entgegengesetzte polare Orientierung aufweisen, um eine spezielle Ausrichtung zwischen den zwei Stücken zu erzwingen.
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6 ist ein Diagramm, das einen Robotergreifer zeigt und nur einen Finger mit einem Glied zwischen der Handfläche des Robotergreifers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht, bei dem die Gliederschnittstelle zwischen der Handfläche und den Fingern Sehnen, Sockel und Magnete enthält, welche den Finger an der Handfläche festhalten.
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7 ist ein Diagramm, das den Robotergreifer von 6 in einem Zustand zeigt, bei dem der Finger von der Handfläche an der Schnittstelle zwischen den zwei Stücken eines Glieds durch die Anwendung einer übermäßigen Kraft getrennt ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Der Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung nur zur Veranschaulichung dient und keinerlei Einschränkung auferlegt. Andere Ausführungsformen der Erfindung werden sich dem Fachmann leicht offenbaren.
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Die in dieser Offenbarung präsentierten Beispiele werden in der dargestellten Umgebung beschrieben, die ein Glied in einem Mechanismus, etwa in einem auf Sehnen beruhenden Robotergreifer, der aus mindestens zwei sequentiellen Stücken ausgebildet ist, die nur durch die Druckkraft einer mechanischen Spannung an Sehnen zusammengehalten werden, welche die Schnittstelle der Gliederstücke überspannen, umfasst. Der Fachmann auf dem Gebiet wird leicht feststellen, dass die Prinzipien der hier offenbarten vorliegenden Erfindung noch allgemeiner Robotermechanismen betreffen, die eine serielle Gliederstruktur unter Verwendung von Drehgelenken umfassen, und dass der Umfang der vorliegenden Erfindung alle derartigen Robotermechanismen umfassen soll, welche eine serielle Gliederstruktur unter Verwendung von Drehgelenken enthalten.
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Zunächst mit Bezug auf 1A zeigt ein Diagramm eine veranschaulichende Gliederanordnung 10 in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Die in 1 dargestellte Gliederanordnung 10 zeigt drei sequentielle Glieder 12, 14 und 16, die durch zwei Gelenke 18 und 20 miteinander gekoppelt sind. Das mittlere Glied 14 ist aus zwei separaten Segmenten 22a und 22b ausgebildet, die von einer mechanischen Spannung zusammengehalten werden, welche an Sehnen 24 und 26 anliegt, die durch die Glieder 12 und 16 und durch die zwei Stücke 22a und 22b, welche das mittlere Glied 14 ausbilden, hindurch verlaufen. Die mechanische Spannung an den Sehnen 24 und 26 hält die zwei Segmente 22a und 22b des mittleren Glieds 14 an ihrer Schnittstelle 28 zusammen, wodurch ein starres Glied ausgebildet wird. Die Sehnen 24 und 26 sind voneinander getrennt und verlaufen durch verschiedene Seilzugführungen 30 und 32 hindurch, die außerdem eine Ausrichtungskraft zwischen den zwei Segmenten 22a und 22b des mittleren Glieds 14 bereitstellen. Da die Sehnen 24 und 26 in dieser Ausführungsform durch verschiedene, voneinander beabstandete Seilzugführungen hindurch verlegt sind, sind die Segmente 22a und 22b mit Bezug zueinander nicht um eine Achse herum drehbar, die rechtwinklig zu den Sehnen 24 und 26 ist. Die Seilzugführungen 30 und 32 stellen nicht nur einen Weg zum Verlegen der Sehnen 24 und 26 durch die Glieder 12, 14 und 16 bereit, sondern auch einen Ausrichtungsmechanismus für die zwei Segmente 22a und 22b, die das mittlere Glied 14 bilden.
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Mit Bezug nun auf 1B zeigt ein Diagramm den Satz von Gliedern und Gelenken von 1, welcher gerade auseinanderbricht, während ein vorbestimmtes Drehmoment oder eine vorbestimmte Kraft jenseits des normalen Bewegungsbereichs in eine oder mehrere Richtungen für die Glieder oder eine vorbestimmte Kraft, die an den Gliedern zieht, angelegt wird. Wie in 1B gezeigt ist, ermöglicht die Anordnung von 1A, dass die zwei Segmente 22a und 22b auseinander brechen, wenn zu viel Drehmoment oder Kraft in eine oder mehrere Richtungen auf den Satz von Gliedern 12, 14 und 16 aufgebracht wird. Wenn die übermäßige Kraft von dem Satz von Gliedern entfernt wird, werden die zwei Segmente 22a und 22b durch die mechanische Spannung an den Sehnen 24 und 26 wieder zusammengezogen und neu ausgerichtet. Der durch diese Ausführungsform ermöglichte Schutz wird durch die Stärke der Sehnen 24 und 26 begrenzt.
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Mit Bezug nun auf 2 zeigt ein Diagramm eine weitere veranschaulichende Gliederanordnung 40 in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, bei welcher das mittlere Glied zwei Segmente enthält, die durch die mechanische Spannung in den Sehnen zusammengehalten werden, und eine Sockelschnittstelle zwischen den zwei Segmenten. Elemente von 2, die mit der Anordnung von 1 übereinstimmen, werden unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die in 1 verwendet wurden.
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In der Ausführungsform von 2 sind drei sequentielle Glieder 12, 14 und 16 durch zwei Gelenke 18 und 20 miteinander gekoppelt. Da mittlere Glied 14 besteht aus zwei separaten Segmenten 22a und 22b, die durch die mechanische Spannung, die auf Sehnen 24 und 26 aufgebracht wird, gegen einander gedrückt werden. Wie in der Ausführungsform von 1 sind die Sehnen 24 und 26 voneinander getrennt und verlaufen durch verschiedene Seilzugführungen 30 und 32, die außerdem eine Ausrichtungskraft zwischen den zwei Segmenten 22a und 22b des mittleren Glieds 14 bereitstellen. Die Seilzugführungen 30 und 32 stellen sowohl einen Weg zum Verlegen der Sehnen 24 und 26 durch die Glieder 12, 14 und 16 hindurch bereit als auch einen Ausrichtungsmechanismus für die zweite Segmente 22a und 22b, die das mittlere Glied 14 bilden.
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Die Schnittstelle 28 zwischen den zwei Segmenten des mittleren Glieds 14 enthält passend gestaltete Abschnitte 42 und 44 an den einander gegenüberliegenden Seiten der zwei Segmente 22a und 22b, um Ausrichtungskräfte an den zwei Segmenten 22a und 22b des mittleren Glieds 14 bereitzustellen, wenn sie unter einer mechanischen Druckspannung stehen. Die Gestalten der passend gestalteten Abschnitte 42 und 44 sind schematisch als die Seite und die Ränder des linken Segments 22a gezeigt, die durch einen umhüllenden Abschnitt in Eingriff stehen, der sich von dem rechten Segment 22b aus erstreckt, so dass die Segmente 22a und 22b ausgerichtet werden, und der so einfach sein kann wie eine Teilkugel und ein Sockel. Ein komplexerer Sockel, etwa eine V-förmige Rille, kann verwendet werden, um eine verbesserte Richtungsausrichtung des Glieds 14 bereitzustellen. Der Fachmann auf dem Gebiet wird feststellen, dass die Tiefe der passend geformten Abschnitte 42 und 44 so gewählt werden sollte, dass es ermöglicht wird, dass die zwei Segmente 22a und 22b auseinander brechen, wenn ein vorbestimmter Betrag an übermäßiger Kraft auf den Satz von Gliedern 12, 14 und 16 aufgebracht wird. Wenn die übermäßige Kraft von dem Satz von Gliedern 12, 14 und 16 entfernt wird, werden die zwei Segmente 22a und 22b wieder zueinander gezogen und durch die mechanische Spannung an den Sehnen 24 und 26 und durch die passend geformten Abschnitte 42 und 44 neu ausgerichtet. Der durch diese Ausführungsform ermöglichte Schutz wird durch die Stärke der Sehnen 24 und 26 begrenzt.
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Mit Bezug nun auf 3 zeigt ein Diagramm eine weitere veranschaulichende Gliederanordnung 50 in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, bei welcher das mittlere Glied zwei Segmente enthält, die durch die mechanische Spannung in den Sehnen und durch ein magnetisches Paar zwischen den zwei Stücken zusammengehalten werden. Elemente von 3, die mit der Anordnung von 1 übereinstimmen, werden unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die in 1 verwendet wurden.
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3 zeigt drei sequentielle Glieder 12, 14 und 16, die durch zwei Gelenke 18 und 20 miteinander gekoppelt sind. Das mittlere Glied 14 ist aus zwei separaten Segmenten 22a und 22b ausgebildet, die gegen einander gedrückt werden. Ein magnetisches Paar 52 und 54 ist an der Schnittstelle 42 zwischen den zwei Segmenten 22a und 22b des mittleren Glieds 2 bereitgestellt. Das magnetische Paar 10 und 11 kann zwei Magnete, einen Magnet und ein magnetisches Material oder eine Kombination aus mehreren Magneten und/oder magnetischem Material umfassen.
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Eine Hälfte des magnetischen Paars 52 ist an dem linken Segment 22a bereitgestellt, und die andere Hälfte 54 des magnetischen Paars ist an dem rechten Segment 22b bereitgestellt. Das magnetische Paar 52 und 54 stellt zusammen eine magnetische Anziehungskraft zwischen den zwei Segmenten 22a und 22b des mittleren Glieds 14 bereit. Der Fachmann auf dem Gebiet wird feststellen, dass die Stärke der magnetischen Kraft zwischen den zwei Hälften des magnetischen Paars 52 und 54 so gewählt sein soll, dass sie ermöglicht, dass die zwei Segmente 22a und 22b auseinanderbrechen, wenn ein vorbestimmter Betrag einer übermäßigen Kraft auf den Satz von Gliedern 12, 14 und 16 aufgebracht wird. Wenn die übermäßige Kraft von den Satz von Gliedern 12, 14 und 16 entfernt wird, werden die zwei Segmente 22a und 22b durch die magnetische Kraft zwischen den zwei Hälften des magnetischen Paars 52 und 54 und durch die mechanische Spannung an den Sehnen 24 und 26 wieder zusammengezogen und neu ausgerichtet. Der durch diese Ausführungsform ermöglichte Schutz wird durch die Stärke der Sehnen 24 und 26 begrenzt.
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Mit Bezug nun auf 4 zeigt ein Diagramm eine weitere veranschaulichende Gliederanordnung 60 in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, bei welcher das mittlere Glied zwei Segmente, die durch die mechanische Spannung in den Sehnen zusammengehalten werden, und ein magnetisches Paar zwischen den zwei Segmenten, die durch passend geformte Abschnitte ausgerichtet sind, enthält, etwa durch eine Sockelschnittstelle zwischen den zwei Segmenten an den einander gegenüberliegenden Seiten der zwei Segmente. Elemente von 4, die mit der Anordnung von 1 bis 3 übereinstimmen, sind unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die in 1 verwendet wurden.
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4 zeigt drei sequentielle Glieder 12, 14 und 16, die durch zwei Gelenke 18 und 20 miteinander gekoppelt sind. Das mittlere Glied 14 ist aus zwei separaten Segmenten 22a und 22b gebildet, die gegen einander gedrückt werden. Die Schnittstelle 28 zwischen den zwei Segmenten 22a und 22b des mittleren Glieds 14 umfasst eine magnetische Kopplung zwischen dem Magnetpaar 52 und 54 und eine passende Sockelanordnung, die durch passend geformte Abschnitte 42 der zwei Segmente 22a und 22b ausgebildet ist. Sehnen 24 und 26 überspannen die Schnittstelle 28 zwischen den zwei Segmenten 22a und 22b des mittleren Glieds 14. Der Fachmann auf dem Gebiet wird feststellen, dass die Stärke der magnetischen Kraft zwischen dem Magnetpaar 52 und 54 und die Gestalt der Sockelanordnung zwischen passend geformten Abschnitten 42 der zwei Segmente 22a und 22b so gewählt werden sollen, dass ermöglicht wird, dass die Segmente 22a und 22b auseinander brechen, wenn ein vorbestimmter Betrag einer übermäßigen Kraft auf den Satz von Gliedern 12, 14 und 16 aufgebracht wird. Wenn die übermäßige Kraft von dem Satz von Gliedern 12, 14 und 15 entfernt wird, werden die zwei Segmente 22a und 22b durch die magnetische Kraft zwischen den zwei Hälften des magnetischen Paars 52 und 54, durch die geformte Sockelanordnung an der Schnittstelle der zwei Segmente 22a und 22b und durch die mechanische Spannung an den Sehnen 24 und 26 wieder zusammengezogen und neu ausgerichtet. Der durch diese Ausführungsform ermöglichte Schutz wird durch die Stärke der Sehnen 24 und 26 begrenzt.
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Mit Bezug nun auf 5 zeigt ein Diagramm eine weitere veranschaulichende Gliederanordnung 60 in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, bei welcher das mittlere Glied zwei Segmente enthält, die durch die mechanische Spannung in den Sehnen und durch zwei magnetische Paare zwischen den zwei Segmenten zusammengehalten werden, welche entgegengesetzte Polorientierungen aufweisen, um eine spezielle Ausrichtung zwischen den zwei Segmenten zu erzwingen.
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5 zeigt drei sequentielle Glieder 12, 14 und 16, die durch zwei Gelenke 18 und 20 miteinander gekoppelt sind. Das mittlere Glied 14 ist aus zwei separaten Segmenten 22a und 22b ausgebildet, die durch die mechanische Spannung an Sehnen 24 und 26 gegen einander gedrückt werden. Die Schnittstelle 28 zwischen den zwei Segmenten 22a und 22b des mittleren Glieds 14 enthält eine magnetische Kopplung 15, die eine verbesserte Ausrichtung zwischen den zwei Gliedsegmenten 22a und 22b bereitstellt.
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Magnete 62 und 64 sind an dem Segment 22a an einer Seite des mittleren Glieds 14 angebracht und Magnete 66 und 68 sind an dem Segment 22b an der anderen Seite des mittleren Glieds 14 angebracht. In der in 5 gezeigten Konfiguration ist die Orientierung der Pole des einander gegenüberliegenden Paars von Magneten 62 und 66 entgegengesetzt zu der Orientierung der Pole des einander gegenüberliegenden Paars von Magneten 64 und 68, um eine magnetisch verschlüsselte Ausrichtung bereitzustellen. Die magnetische Anziehung zwischen den Magneten in den Segmenten 22a und 22b des Glieds 14 wird nur auftreten, wenn die Segmente 22a und 22b relativ zueinander derart ausgerichtet sind, dass die Magnete 62 und 66 einander gegenüberliegend ausgerichtet sind und die Magnete 64 und 68 einander gegenüberliegend ausgerichtet sind.
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Der Fachmann auf dem Gebiet wird feststellen, dass die Stärke der magnetischen Kraft zwischen den zwei magnetischen Paaren 62 und 66 und 64 und 68 so gewählt sein sollte, dass ermöglicht wird, dass die zwei Segmente 22a und 22b auseinander brechen, wenn ein vorbestimmter Betrag an übermäßiger Kraft auf den Satz von Gliedern 12, 14 und 16 aufgebracht wird. Wenn die übermäßige Kraft von dem Satz von Gliedern 12, 14 und 16 entfernt wird, werden die zwei Segmente 22a und 22b durch die magnetischen Anziehungskräfte zwischen den zwei magnetischen Paaren 62 und 66 und 64 und 68 und durch die mechanische Spannung an den Sehnen 24 und 26 wieder zusammengezogen und neu ausgerichtet. Der durch diese Ausführungsform ermöglichte Schutz wird durch die Stärke der Sehnen 24 und 26 begrenzt.
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Mit Bezug nun 6 zeigt ein Diagramm einen Robotergreifer 80, der eine Gliederanordnung enthält, die Glieder 82 und 84 aufweist, welche durch ein Gelenk 86 gekoppelt sind. Das Glied 84 ist mit einer Basis 88 des Robotergreifers unter Verwendung eines Gliedsegments 90 verbunden. Das Gliedsegment 90 ist mit dem Glied 84 durch ein Gelenk 92 gekoppelt. Das Gliedsegment 90 ist mit der Basis des Robotergreifers unter Verwendung einer Kombination der hier offenbarten Techniken verbunden.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, umfasst die Schnittstelle zwischen dem Gliedsegment 90 und der Basis 88 des Robotergreifers eine Kombination der hier offenbarten Techniken. Sehnen 94 und 96 verlaufen zwischen dem Glied 82 und der Basis 88 des Robotergreifers durch das Gliedsegment 90 hindurch. Die Sehne 94 verläuft durch Seilzugführungen 98 in dem Glied 84, dem Gliedsegment 90 und der Basis 88 des Robotergreifers. Die Sehne 96 verläuft durch Seilzugführungen 100 in dem Glied 84, dem Gliedsegment 90 und der Basis 88 des Robotergreifers.
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Zudem funktioniert ein magnetisches Paar 102 und 104, das in dem Gliedsegment 90 bzw. in der Basis 88 des Robotergreifers angeordnet ist, wie es hier bereits mit Bezug auf 3 und 4 offenbart ist.
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Schließlich arbeiten eine passende Sockelanordnung, die durch passend geformte Abschnitte 106 an der Schnittstelle der Basis 88 des Robotergreifers ausgebildet ist, und des Gliedsegment 90 zusammen, um die Gliederanordnung, welche die Glieder 82 und 84 enthält, wieder auszurichten, nachdem diese von der Basis 88 des Robotergreifers aufgrund des Aufbringens einer übermäßigen Kraft auf die Glieder entfernt worden ist.
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Wie der Fachmann auf dem Gebiet feststellt, arbeiten die Sehnen, die Sockelanordnung und die magnetische Kopplung auf dieselbe Weise zusammen, wie es mit Bezug auf die Ausführungsformen offenbart ist, die hier in 1–5 gezeigt sind, und sie arbeiten zusammen, um eine reparable Zerbrechenoperation bereitzustellen.
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Obwohl in 6 zu Darstellungszwecken der Erfindung nur ein Finger gezeigt ist, wird der Fachmann auf dem Gebiet feststellen, dass ein Robotergreifer in Übereinstimmung mit den Prinzipen der vorliegenden Erfindung normalerweise mit mehreren Fingern ausgestattet sein wird. Es ist bevorzugt, dass jeder Finger mit einem oder mehreren Merkmalen der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, um einen Schutz gegen das Aufbringen einer übermäßigen Kraft bereitzustellen.
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7 zeigt den Robotergreifer 80 mit einem Finger, der Glieder 82 und 84 enthält, der von der Basis 88 des Robotergreifers in Ansprechen auf das Aufbringen einer übermäßigen Kraft in die Richtung des durchgezogenen Pfeils weggezogen wird. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stellen die Sehnen 94 und 96 und die Anziehungskraft zwischen den Elementen 102 und 104 des magnetischen Paars, wenn die übermäßige Kraft entfernt wird, eine Kraft bereit, welche den Finger zurück zu der Handfläche bringt, und der Sockel stellt außerdem eine Ausrichtung zwischen dem Finger und der Handfläche bereit.
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Ein Vorteil dieser Erfindung gegenüber Anordnungen des Standes der Technik, die nur Magnete verwenden, besteht darin, dass, wenn sie bei einem Robotergreifer verwendet wird, der Finger in Ansprechen auf das Aufbringen einer übermäßigen Kraft nicht von dem Robotergreifer abfällt, sondern zumindest an den Sehnen hängen bleibt und keine strukturelle Beschädigung erleidet. Der Finger wird nicht verlorengehen, was möglich ist, wenn Anordnungen des Standes der Technik verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil, der durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, besteht darin, dass, wenn die Sehnen durch die Aktoren straff gezogen werden, sie dazu tendieren werden, den Finger zurück in seine Normalposition zu ziehen. Dies bedeutet, dass dann, wenn der Finger abbricht, es möglich ist, dass er schnell zurück in die korrekte Ausrichtung für eine fortgesetzte ununterbrochene Operation gebracht wird. Die vorliegende Erfindung stellt folglich einen wesentlichen Vorteil gegenüber vorherigen Implementierungen von auf Magneten beruhenden Verbindungen von Fingern in Robotergreifern bereit.
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Bei einem Roboterbetrieb ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Finger gebrochen werden, viel höher, wenn kein Objekt ergriffen wird, gegenüber dem Fall, bei dem sie ein Objekt ergreifen. Eine einfache Erklärung dafür ist, dass, wenn die Finger ausgestreckt sind und gerade kein Objekt ergreifen, sie anfälliger sind als wenn sie um ein Objekt herumgewickelt sind.
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Im Stand der Technik muss der Magnet, der den Finger an der Handfläche festhält, so stark oder stärker als die maximale Kraft sein, die durch den Finger ausgeübt wird, um Objekte zu ergreifen, damit der Finger nicht abfällt.
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In den Ausführungsformen der Erfindung, die Magnete verwenden, ist die Hauptkraft, welche die Fingerbefestigung an der Handfläche aufrechterhält, wenn der Robotergreifer gerade kein Objekt ergreift, der Magnet und/oder eine geringere mechanische Spannung in den Sehnen. Bei diesen Bedingungen ist der Finger am anfälligsten für Zerbrechen und daher stellt eine schwächere Befestigung des Fingers an der Handfläche eine Funktionalität des leichteren Abbrechens bereit, wodurch ein verbesserter Schutz für den Roboterfinger bereitgestellt wird,
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In der vorliegenden Erfindung ist die primäre Kraft, die die Finger an der Handfläche hält, wenn der Robotergreifer ein Objekt ergreift, der Zug in den Sehnen. Die Last von dem Objekt, das gerade getragen wird, beispielsweise ein schweres Gepäckstück, wird primär durch die Sehnen getragen und nicht durch die Magnete. Folglich ist es nicht wahrscheinlich, dass die Finger unter Last entfernt werden.
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Die Konzepte der vorliegenden Erfindung können hochskaliert werden und in größeren Implementierungen für Robotermechanismen verwendet werden, welche serielle Gliederstrukturen unter Verwendung von Drehgelenken umfassen, die Sehnen zum Übertragen einer Kraft verwenden.
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Obwohl Ausführungsformen und Anwendungen dieser Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass viel mehr Modifikationen als vorstehend erwähnt möglich sind, ohne von den erfinderischen Konzepten hierin abzuweichen. Daher darf die Erfindung abgesehen vom Geist der beigefügten Ansprüche nicht eingeschränkt werden.
