DE19940603B4

DE19940603B4 - Manipulator

Info

Publication number: DE19940603B4
Application number: DE1999140603
Authority: DE
Inventors: Christian Schaefer
Original assignee: Schafer Christian Dipl-Ing Msc
Current assignee: Schafer Christian Dipl-Ing Msc
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2019-08-28
Also published as: DE19940603A1

Abstract

Manipulator mit wenigstens einem Gelenkabschnitt, der wenigstens zwei Glieder mittels eines rotatorischen. Einzelgelenkes oder mittels einer kinematischen Kette von mehreren rotatorischen Einzelgelenken miteinander verbindet; dadurch gekennzeichnet, dass die Lage von Rotationsachsen (zts1, zts2, zts3, zsh1, zsh2, zsh3, zhu, zru, zrc1, zrc2) auf die biomechanische Funktion innerhalb eines menschlichen Gelenkabschnitts im Schulter- und/oder Arm- und/oder Handbereich abgestimmt ist und in einer Referenzstellung die Glieder in ihren Geometrien und die Lage der Rotationsachsen (zts1, zts2, zts3, zsh1, zsh2, zsh3, zhu, zru, zrc1, zrc2) der Einzelgelenke jedes Gelenkabschnittes (46, 48, 50, 53) mit einer Längentoleranz. von + 20% und einer Winkeltoleranz von + 10° der Geometrie und der Lage von Rotationsachsen eines menschlichen Gelenkabschnittes im Schulter- und/oder Arm- und/oder Handbereich in der Referenzstellung entsprechen.

Description

Diese Erfindung betrifft einen Manipulator mit wenigstens einem Gelenkabschnitt, der wenigstens zwei Glieder mittels eines rotatorischen Einzelgelenkes oder mittels einer kinematischen Kette von mehreren rotatorischen Einzelgelenken miteinander verbindet.

Ein derartiger Manipulator ist aus der EP 0 396 752 A1 bekannt. Darin ist ein Roboter mit einem mechanischen Arm beschrieben, der aus zwei Gliedern besteht, die beide jeweils ein Parallelogramm darstellen. Das erste und das zweite Glied des mechanischen Armes sind über ein Zwischenglied mithilfe von an den Ecken angebrachten rotatorischen Einzelgelenken gekoppelt.

Manipulatoren, die auf Untersuchungen des menschlichen Arms beruhen, sind als sogenannte Kinematikmodelle für den Bereich der Robotik entwickelt worden. So ist es aus J. Lenarcic and A. Umek, Simple model of human arm reachable workspace, IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, 24(8), 1994, (S.1239–1246) bekannt, solche Kinematikmodelle bzw. Manipulatorengelenkabschnitte, die beispielsweise Schulter und Ellenbogengelenk des menschlichen Armes entsprechen, aus Gelenkgliedern aufzubauen, die jeweils nur einen kinematischen Freiheitsgrad ha ben. Dabei zeigt sich, daß eine kinematische Einfachheit von Modellen bzw. Manipulatoren erzielt werden kann, indem einander zugeordnete Gelenkachsen in jeweiligen Gelenkabschnitten so gelegt werden, daß sie sich in wenigstens einem Punkt schneiden und in einer Grundstellung als nach den Hauptachsen des menschlichen Körpers ausgerichtet betrachtet werden können. Diese kinematische Einfachheit wird jedoch damit erkauft, daß kein unmittelbarer anatomischer Zusammenhang zwischen solchen Kinematikmodellen und einem menschlichen Arm gegeben ist. Im Vergleich zum menschlichen Arm erweist sich die Beweglichkeit solcher Modelle als stark eingeschränkt, weil die Gelenkkomplexe zu stark vereinfacht sind bzw. diese innere Singularitäten haben. Demnach sind die dynamischen Eigenschaften und konstruktiven Ausführungen solcher Modelle bzw. Manupulatoren unbefriedigend. So wird etwa bei dem aus dem beschriebenen Stand der Technik bekannten Kinematikmodell eines menschlichen Armes in Kauf genommen, daß dessen Gesamtgewicht auf dem Antrieb eines einzigen Gelenks lastet.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Manipulator der eingangs genannten Art zu schaffen, der gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbesserte Bewegungsmöglichkeiten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Manipulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Auf diese Weise wird ein Roboter-Manipulator geschaffen, mit dem sich nahezu exakt die Bewegungen eines menschlichen Armes bzw. Armabschnittes ausführen lassen. Somit ist ein solcher Manipulator universell einsetzbar und eignet sich hervorragend zur Automatisierung von bislang manuell ausgeführten industriellen Fertigungsprozessen. Die von der Physiologie eines menschlichen Armes abgeleitete Bauweise läßt darüber hinaus auch künstliche Muskeln als Antrieb für den Manipulator zu.

Durch die Merkmale der Ansprüche 2, 3 oder 4 wird eine Überlastung der rotatorischen Einzelgelenke vermieden. Die An triebe können platzsparend untergebracht werden und die Kabelführung wird erleichtert.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 vermeidet das aufwendige Vorsehen von rotatorischen Antrieben.

Durch die Merkmale der Weiterbildung nach Anspruch 6 wird die Steifigkeit der Gelenkabschnitte des Manipulators erhöht. Gleichzeitig wird durch die doppelte, d.h. zweischenklige Aufhängung eine Lagerung ohne Belastung durch unerwünschte Kipp- oder Drehmomente erzielt, so daß das Gewicht des jeweiligen Gliedes auf dem benachbarten Glied ruhen kann, ohne entsprechende Antriebe zu belasten.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 wird eine exakte Definition der Geometrien und Bewegungsfunktionen aller Gelenkabschnitte im Schulter-, Arm- und Handbereich erzielt, indem als Referenzstellung immer ein Bezug zu dem globalen Koordinatensystem geschaffen wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.
1 zeigt einen als Roboterarm ausgebildeten mehrgliedrigen Manipulator gemäß der Ausführungsform der Erfindung,
2 ein Antriebskonzept für einen Gelenkabschnitt des mehrgliedrigen Manipulators,
3 verschiedene Ausführungsformen eines der menschlichen Schultergelenkeinheit entsprechenden Gelenkabschnittes in dem mehrgliedrigen Manipulator,
4 einen Ausschnitt aus einem menschlichen Skelett,
5 eine schematische Darstellung des menschlichen Schlüsselbeinbereichs,
6 eine vergrößerte Darstellung des menschlichen Schulterblattes,
7 eine aus Rotationsgelenken aufgebaute Gelenkeinheit, die dem menschlichen Schultergürtelgelenk nachgebildet ist,
8 eine zum Einsatz in einem Roboterarm geeignete Schultergürtelgelenkeinheit, die aus der Schultergürtelgelenkeinheit von 7 abgeleitet ist,
9 eine schematische Darstellung des menschlichen Schultergelenks, und
10 eine menschliche Hand, die einen Werkzeuggriff hält.
In der 1 ist als Manipulator ein Roboterarm 1 dargestellt. Er umfaßt eine Trägerstruktur 2, an der schwenkbeweglich um eine Drehachse zts1 ein Arbeitsarm 3 angelenkt ist. Der Arbeitsarm 3 umfaßt einen Gelenkabschnitt, der einem menschlichen Schultergürtelgelenk entspricht, einen Gelenkabschnitt 12, der einem menschlichen Schultergelenk entspricht, einen Gelenkabschnitt, der einem menschlichen Ellenbogengelenk entspricht und einen Gelenkabschnitt, der einem menschlichen Handgelenk entspricht.
Der dem menschlichen Schultergürtelgelenk entsprechende Gelenkabschnitt des Roboterarmes 1 umfaßt eine Stützträgerstruktur 4, die schwenkbeweglich um eine Drehachse zts1 an einer Trägerstruktur 2 aufgenommen ist. An einer Flanke 5 der Stützträgerstruktur 4 ist eine zweite Stützträgerstruktur 6 schwenkbeweglich um eine Achse zts2 gelagert. An einer Seite 8 der Stützträgerstruktur 6 ist in einem Drehlager 9 um eine Achse zts3 eine Trägerstruktur 10 mit zugeordnetem Hebelarm 11 aufgenommen.
Die Drehachse zts1 und die Drehachse zts2 schneiden sich in einem Punkt O_ij. Die Drehachse zts2 und die Drehachse zts3 schneiden sich im Punkt O_ai. Mit einem Eckpunkt O_ac der zweiten Stützträgerstruktur 6 und einem Eckpunkt des zur Trägerstruktur 10 gehörenden Hebelarmes 11 spannt der Punkt O_ai ein Dreieck O_ai, O_ae, O_ts auf .
Bezüglich eines zur Trägerstruktur 2 festen kartesischen Koordinatensystem 100, vorzugsweise einem globalen Koordinatensystem 100', wie anhand der 4 ausführlich erläutert, dessen Ursprung in dem Punkt O_ij gelegt ist, gilt in einer Referenzstellung des Arbeitsarmes 4 für die Aufpunkte h_ai, h_ac, h_ts der Punkte O_ai, O_ac, O_ts hac= (165, –96, 58) hai= (119, –160, –109) hts= (86, –163, 0), wobei als Einheiten für diese und alle nachfolgenden Längenangaben mm gewählt sind.
Die Drehachse zts2 ist an der Drehachse zts1 im Ursprung des kartesischen Koordinatensystems 100 angelenkt und schließt mit dieser einen Winkel von α₁=61,3° ein. Bezüglich des kartesischen Koordinatensystems 100 verläuft die Drehachse zts1 entlang dem normierten Richtungsvekto; ηts1= (0, 0, 1), wobei ihr Aufpunkt im Ursprung liegt. Die Drehachse zts2 verläuft entlang dem normierten Richtungsvektor ηtS2= (0.524, –0.704, –0.480), wobei ihr Aufpunkt ebenfalls im Ursprung liegt. In einem Abstand a = 227,2 auf der Drehachse zts2 vom Ursprung O_ij des Koordinatensystems 100 ist die Drehachse zts3 unter einem Winkel α₂ = 57° angelenkt, so daß in der Referenzstellung der Punkte O_ai, O_ac, O_ts für den normierten Richtungsvektor der Drehachse zts3 im Koordinatensystem 100 gilt ηts3=(0.251, 0.343, 0.905).
Dem dem menschlichen Schultergürtel entsprechende Gelenkabschnitt des Arbeitsarmes 3 ist durch eine dreiachsige Roll-Pitch-Yaw-Gelenkeinheit 12 ein Gelenkabschnitt zugeordnet, der einem menschlichen Schultergelenk entspricht. Diese Roll-Pitch-Yaw-Gelenkeinheit 12 hat Drehachsen zsh1, zsh2, zsh3, die senkrecht aufeinanderstehen und sich in einem Punkt O_sh schneiden. In der Referenzstellung des Schultergürtelgelenkabschnittes gilt für den Ortsvektor h_sh dieses Schnittpunktes O_Sh im Koordinatensystem 100 ηsh = (178, –69, 18), wobei die Drehachse zsh1 parallel zu der von den Punkten O_ac, O_ai, O_ts aufgespannten Dreiecksebene verläuft und unter einem Winkel von β₁= 135° zu der Gelenkachse zts3 steht. Dabei beträgt der Abstand des Punktes O_sh, in dem sich die Drehachsen zsh1, zsh2, zsh3 schneiden, von dem Punkt, an dem die Achse zsh1 an der Achse zts3 gelagert ist, etwa 57,3mm. Dieser Lagerpunkt an der Achse zsh1 an der Achse zts3 ist etwa 120, 8 a.u. vom Punkt O_ai entlang der Achse zts3 entfernt. Eine Referenzstellung für die Orientierung der dem menschlichen Schultergelenk entsprechenden Gelenkeinheit ist durch Angabe von Aufpunkt h_shi und den normierten Richtungsvektoren η_shi der Drehachsen zhsi (i = 1, 2, 3) wie folgt festgelegt hsh1 = hsh = (178.0, –69.0, 18.0), ηsh1 = (–0.730, –0.584, –0.355) hsh2 = hsh , ηsh2 = (–0.271, –0.218, 0.937) hsh3 = hsh , ηsh3 = (–0.626, 0.780, 0).
Dem Gelenkabschnitt 12 schließt sich ein Oberarmteil 13 an, das an einem Ende in einer Gelenkgabel 14 schwenkbeweglich um eine Achse zh2 gelagert ist und an einem anderen Ende eine Gelenkgabel 15 aufweist, in der eine als Ellenbogengelenk fungierende Achse zhu gehalten ist. Oberarmteil 13 mit Gelenkgabel 14 und Gelenkgabel 15 sind dabei so bemessen, daß bei Referenzstellung von sowohl dem Gelenkabschnitt, der dem menschlichen Schultergürtelgelenk entspricht, als auch dem Gelenkabschnitt 12, der dem menschlichen Schultergelenk entspricht, das Oberarmteil 13 parallel zur Achse z_ij des Koordinatensystems 100 ausgerichtet ist, wobei das Rotationszentrum O_sh des Gelenkabschnittes 12 und die als Ellenbogengelenk fungierende Achse zhu senkrecht in die von den x_ij-x_ij-Achsen des Koordinatensystems 100 aufgespannte Ebene projeziert werden, der Abstand der Projektion von dem Punkt O_sh zur Projektion der als Ellenbogengelenk fungierenden Achse zhu parallel zum Oberarmteil 13 345mm beträgt.
Die als Ellenbogengelenk fungierende Achse zhu bildet mit dem Oberarmteil 13 einen Winkel von γ₁= 81° und ist bei Referenzstellung von dem dem menschlichen Schultergürtelgelenk entsprechenden Gelenkabschnitt und dem Gelenkabschnitt 12, der dem menschlichen Schultergelenk entspricht, parallel zu der von den Achsen x_ij und z_ij aufgespannten Ebene des Koordinatensystems 100 ausgerichtet.
An der als Ellenbogengelenk fungierenden Achse zhu ist unter Bilden eines 90°-Winkels ein erster Unterarmteil 16 angelenkt, dem die Funktion einer menschlichen Speiche zukommt.
Am Ende des Unterarmteiles 16 ist in einer Gelenkeinheit 17 ein zweites Unterarmteil um eine Drehachse zru angelenkt, der die Funktion einer menschlichen Elle zukommt. Dabei ist der Unterarmteil 16 in einem Endbereich in der festgelegten Gelenkeinheit derart aufgenommen, daß sich die Drehachse zru und die als Ellenbogengelenk fungierende Achse zhu in einem Punkt O_ru unter Bildung eines 90°-Winkels schneiden, wobei bei Referenzstellung von dem dem menschlichen Schultergürtelgelenk entsprechenden Gelenkabschnitt und dem Gelenkabschnitt 12, der dem menschlichen Schultergelenk entspricht, für den Aufpunkt des Punktes O_ru im Koordinatensystem 100 gilt: hru=(221.0, –59.1, –320.3).
Wird der Unterarmteil 16 bzw. 18 so weit angewinkelt, daß die Drehachse zru senkrecht zu der von den Achsen x_ij, z_ij des Koordinatensystems 100 aufgespannten Ebene steht, was nachfolgend als Referenzstellung des Unterarm-Abschnittes bezeichnet wird, so gilt für den Richtungsvektor η_ru der Drehachse zru im Koordinatensystem 100 ηru = (–0.004, 0.999.0).
An einem anderen Ende des als Elle fungierenden Unterarmteiles 18 ist eine Handgelenk- und Griffeinheit 19 angeordnet. Die Handgelenk- und Griffeinheit 19 weist eine erste rotatorische Gelenkeinheit mit Gelenkachse zrc1 auf, an der ein Handgelenkglied 20 festgelegt ist, in dem eine zweite rotätorische Gelenkeinheit mit Gelenkachse zrc2 aufgenommen ist, um ein zweites Handgelenkglied 21 mit Griffteil 23 schwenkbeweglich zu halten. Der Abstand zwischen den Achsen zhu und zrc1, gemessen entlang der Achse zru, beträgt 296mm. Die Gelenkachsen zrc1 und zrc2 sind etwa 20 a.u. voneinander beabstandet und verlaufen senkrecht zueinander.
Bei Referenzstellung von dem dem menschlichen Schultergürtelgelenk entsprechenden Gelenkabschnitt, dem Gelenkabschnitt 12, der dem menschlichen Schultergelenk entspricht und bei Referenzstellung des Unterarm-Abschnittes ist die Lage der Gelenkachse zrc1 in dem Koordinatensystem 100 wie folgt festgelegt: Aufpunkt: hrc 1 = (223, 237, –332) und Orientierung hrc1 = (0.966, 0. 003, 0.259).
Dabei wird für das an der Gelenkachse zrc1 angelenkte Handgelenk 22 eine Referenzstellung mittels der Bedingung definiert, daß die Gelenkachse zrc2 um 20° aus der Senkrechten der von als Elle und Speiche fungierenden Unterarmteile 16 und 18 gebildeten Ebene in Richtung des Unterarmes geneigt ist. Damit gilt bei Referenzstellung von dem dem menschlichen Schultergürtelgelenk entsprechenden Gelenkabschnitt, dem Gelenkabschnitt 12, der dem menschlichen Schultergelenk entspricht, bei Referenzstellung von Unterarm-Abschnitt und Handgelenkglied 22 für den Aufpunkt h_re2 der Gelenkachse zrc2 im Koordinatensystem 100 hrc2= (244, 256 ., –322) und den Richtungsvektor (Orientierung) η rc2= (–0.251, –0.226, 0.941).
Am Handgelenkglied 22 ist ein Griffteil 23 angeordnet, das durch eine Halbschale gebildet ist, deren Form die Innenfläche einer menschlichen Hand darstellen soll und die an einer Seite mit einem Ring 24 versehen ist, dem die Bedeutung eines menschlichen Daumens und Zeigefingers zukommt. Die Halbschale hat eine Achse ztcp, die bei Referenzstellung der übrigen Glieder des Roboterarmes 1 durch einen Aufpunkt htcp= (236.6, 262.8, –311.6) und einen Richtungsvektor htep = (0.860, 0.510, .0.00) definiert ist.
Als Antriebskonzept für den Roboterarm eignen sich Spindel- und Linearantriebe und Seilzüge, die entsprechend einem menschlichen Muskel verschiedene Glieder verbindet.
Für den Gelenkabschnitt, der dem menschlichen Schultergürtelgelenk entspricht, ist in der 2 ein Antriebskonzept für die an der Trägerstruktur 2 schwenkbeweglich befestigte Gelenkeinheit dargestellt. Soweit Komponenten dabei mit denen der 1 übereinstimmen, haben diese gleiche Bezugszeichen. Der um die Achse zts1 an der Trägerstruktur 2 angelenkte Stützträgerstruktur 4 ist ein erster Linearantrieb 30 zugeordnet, der bei dem Punkt O_ai festgelegt ist und in einem Bereich 31 sich auf der Trägerstruktur 2 abstützt. Er verbindet die von der Stützträgerstruktur 4 gebildete Schwinge unter Schaffung eines Tetraeders mit der Trägerstruktur 2. Ein zweiter Linearantrieb 32 ist an einer Stelle 33 an der Trägerstruktur 2 angelenkt und in einem Bereich des Punkte O_ac mit der Stützträgerstruktur 6 verbunden, um entsprechend dem Linearantrieb 30 wiederum eine Tetraederstruktur auszubilden. Ein dritter Linearantrieb 34 ist an einer Stelle 35 an der Seite 5 der Stützträgerstruktur 4 abgestützt und mit dem zu dem Drehlager 9 gehörenden Hebelarm 11 an einem Punkt Ots festgelegt. Die drei Linearantriebe 30, 32 und 34 verstreben somit den dem menschlichen Schultergürtelgelenk entsprechenden Gelenkabschnitt des Robotermechanismus derart, daß jedes bewegliche Glied darin in einer stabilen Tetraederstruktur aufgenommen ist. Der Umstand, daß dabei alle Antriebe in dem Gelenkabschnitt platzsparend angeordnet sind, führt darüber hinaus dazu, daß ausreichend Raum für eine Anordnung von Antrieben zur Verfügung steht, die gegebenenfalls den übrigen Gelenkeinheiten des in der 1 dargestellten Robotermechanismus zugeordnet sind.
In der 3 sind alternative Ausführungsformen 12a, 12b, 12c, 12d und 12e der Schultergelenkeinheit 12 aus 1 abgebildet, der in 3 die Ausführungsform 12f entspricht. Den in der 3 dargestellten Ausführungsformen einer Schultergelenkeinheit sind jeweils drei Gelenkfreiheitsgrade gemeinsam, wie dies auch beim menschlichen Schultergelenk der Fall ist. Diese drei Gelenkfreiheitsgrade ermöglichen prinzipiell sechs unterschiedliche Gelenkkonfigurationen von senkrecht aufeinanderstehenden Gelenkachsen, die sich alle in einem Punkt schneiden. Die Gelenkeinheiten 12a und 12b bilden dabei sogenannten Roll-Pitch-Roll-Gelenke, die sich dadurch auszeichnen, daß eine dritte Rotationsachse des Gelenks parallel zur Längsachse eines anschließenden Armelements ausgerichtet ist. Eine solchermaßen ausgebildete Gelenkeinheit bietet gegebenenfalls Vorteile bei einer erforderlichen Kabelführung und wird häufig bei antropomorph ausgebildeten Roboterarmen eingesetzt. Sie haben jedoch einen gravierenden Nachteil, der darin liegt, daß im Zentrum ihres Arbeitsraumes eine Singularität auftritt, nämlich dann, wenn bei der Gelenkeinheit 12a der Oberarm in x-Richtung bzw. bei der Gelenkeinheit 12b der Oberarm in y-Richtung zeigt. Im Gegensatz dazu sind die Gelenkeinheiten 12c bis 12f als sogenannte Roll-Pitch-Yaw-Gelenkeinheiten ausgebildet, bei denen eine dritte Achse senkrecht auf einer Längsachse eines anschließenden Armelementes steht. Im Vergleich zu Roll-Pitch-Roll-Gelenken ist deshalb etwas mehr Platz erforderlich, jedoch treten bei diesen Gelenkeinheiten keine Singularitäten im Zentrum eines Arbeitsraumes auf. Allerdings ist der Arbeitsraum von Roll-Pitch-Yaw-Gelenkeinheiten kleiner als derjenige von Roll-Pitch-Roll-Gelenken. Soll der Arbeitsraum eines Roboterarmes nicht unnötig eingeschränkt werden, ist eine sorgfältige Auswahl zu treffen. Eine bevorzugte Gelenkkonfiguration stellt das Roll-Pitch-Yaw-Gelenk 12f dar, das der dem menschlichen Schultergelenk entsprechenden Gelenkeinheit 12 im Roboterarm 1 aus 1 entspricht.
Die Lage der Achsen eines jeden der rotatorischen Einzelgelenke in den anhand der 1, 2 und 3 erläuterten Gelenkabschnitten eines Roboterarmes ist aufgrund ihrer Anordnung auf die Form und biomechanische Funktion eines menschlichen Gelenkabschnittes im Schulter- und/oder Handbereich abgestimmt. Es versteht sich, daß für eine Abstimmung des Roboterarmes auf Form und biomechanische Funktion des menschlichen Armes es vornehmlich auf das Längenverhältnis der Abschnitte des Roboterarmes ankommt. Die kinematischen Charakteristika eines Roboterarmes, wie zuvor beschrieben, ändern sich nur unwesentlich, wenn die Längenabmessungen in einem relativen Schwankungsbereich von ca. ± 20% und die von Drehachsen bzw. Baugruppen gebildeten Winkel im Roboterarm relativ zueinander um ca. ± 10° verändert werden.
Nachfolgend wird nun detailliert erläutert, wie die Abmessungen des anhand der 1, 2 und 3 beschriebenen Roboterarmes durch Funktion und Lage an natürlichen Gelenkeinheiten im Schultergürtel-Arm und Handbereich in einem menschlichen Arm motiviert sind.
Die 4 zeigt einen Ausschnitt eines menschlichen Skelettes 40 mit einem Brustkorb (Thorax) 41. Am Brustbein (Sternum) 42 des Brustkorbes 41 ist über die Articulatio Sternoclavicularis 43 das Schlüsselbein (Clavicula) 44 am Brustbein 42 angelenkt. Am Schlüsselbein 44 befindet sich das Schulterblatt (Scapula) 45. Schulterblatt 45 und Schlüsselbein 44 sind miteinander über die Articulatio Acromioclavicularis 46 verbunden. Eine Verbindung zwischen Brustkorb 41 und Schulterblatt 45 wird in dem der Wirbelsäule zugewandten Bereich des Schulterblattes 45 mittels der Articulatio Thoracoscapularis bewirkt.
Der menschliche Schultergürtelbereich umfaßt damit drei Gelenke und bildet eine kinematisch geschlossene Kette. Bewegungen des menschlichen Schultergürtels erweisen sich immer als Bewegungen dieser Einzelgelenke. Die Position des Schulterblattes 45 kann mittels drei charakteristischen Punkten beschrieben werden, nämlich dem Mittelpunkt O' _ac der Articulatio Acromioclavicularis 46, sowie den Endpunkten „Trigonum Spinae" O'_fs und „Angulus Inferior" O'_ai des Schulterblattes 45.
Wird im Brustkorb an der Incisura Jugularis 47 ein globales Koordinatensystem 100' verankert, so gilt bei einer in „F.C.T. van der Helm, H.E.J. Veeger, G.M. Pronk L.H.V. van der Woude and R.H. Rozendal; Geometry Parameters for musculoskeletal modelling of the shoulder system; Journal of B mechanics, 25(2): 129–144, 1992" festgelegten Referenzstellung des Schultergürtels für die Ortsvektoren der Punkte O_ac, O_ts und O_ai h'ac = (165mm, –96mm, 58mm) h'ts = (86mm, –163mm, Omm) h'ai = (119mm, –160mm, –109mm).
Die Ortsvektoren dieser Punkte entsprechen somit in ihrer Lage den Ortsvektoren der Punkte O_ac, O_ts und O_ai aus 1 und 2 für den Fall, daß sich der in 1 dargestellte Roboterarm bezüglich dem Koordinatensystem 100 in einer Referenzstellung befindet. Folglich sind die Abmessungen des am Drehlager 9 befestigten Hebelarmes 11 aus 1 durch die Dimensionen eines in 4 dargestellten menschlichen Schulterblattes 45 motiviert.
Die Gelenkflächen der Articulatio Sternoclavicularis sind beim Menschen schwach sattelförmig ausgebildet jedoch nicht ganz kongruent Dies führt zu einer Fehlanpassung der beiden Gelenkflächen, die durch den sogenannten Diskus Articularis ausgeglichen wird, der ferner, wie in „B. Tillmann and G.
Töndury, Bewegungsapparat, Georg Thieme, Stuttgart, 1987", beschrieben, eine begrenzte Rotation des Schlüsselbeines um seine Längsachse ermöglicht.
Die 5 erläutert die rotatorischen Gelenkfreiheitsgrade der Articulatio Sternoclavicularis in einer schematischen Darstellung des menschlichen Schlüsselbeinbereichs. Die Articulatio Sternoclavicularis läßt sich in eine kinematische Kette aus drei rotatorischen Einzelgelenken zerlegen. Wird die Orientierung der Gelenkachsen mittels des an der Incisura Jugularis im Brustkorb verankerten globalen Koordinatensystems 100' beschrieben, so verläuft eine erste Gelenkachse zsc1 von der konvexen Oberfläche des Sattelgelenks fast vertikal von kranial-medial nach kaudal-lateral und es gilt für ihren normierten Richtungsvektor ηsc1 = (–0.253, 0.146, 0.956).
Eine Bewegung um diese Drehachse ermöglicht Flexion und Extension des Schultergürtels. Die zweite Achse zsc2 der konkaven Oberfläche des Gelenks verläuft horizontal von dorsalmedial nach frontal-lateral und steht senkrecht auf der Achse zsc1. Für ihren normierten Richtungsvektor gilt ausgedrückt in dem an der Incisura Jugularis fest verankerten Koordinatensystem: ηsc2 = (0.500, 0.866, 0).
Diese Gelenkachse ermöglicht die Elevation und Depression des Schultergürtels.
Der Abstand der beiden Gelenkachsen zsc1 und zsc2 beim Menschen wird in der Fachwelt kontrovers diskutiert. Eine in „G.M. Pronk, F.C.T. von der Helm, and L.A. Rozendaal, Interaction between the joints in the shoulder mechanism, Proc. instn. Mech. Eng., volume 207, London, 1993" beschriebene Simulations- und Bewegungsaufteilungsstudie S. 219–229 zeigt jedoch, daß ein
Abstand dieser beiden Gelenkachsen nicht ins Gewicht fällt und sie als sich in einem Punkt O_sc schneidend angesehen werden können, wobei für den Schnittpunkt gilt: hsc 1 = hsc2 = (50mm, –lOmm, 20mm).
Bei einem durchschnittlichen, ausgewachsenen Menschen schneidet die dritte rotatorische Gelenkachse zsc3 die beiden anderen Gelenkachsen in dem Punkt O_sc, wobei für Richtungsvektor η_sc ₃ und Aufpunkt h_sc3 gilt ηsc3 = (0.828, –0.478, 0.292) hsc3 = hsc2 Die 6 zeigt den Bereich der Articulatio Acromioclavicularis in einer im Vergleich zu 1 vergrößerten Darstellung.
Die Articulatio Acromioclavicularis 46 verbindet das Schlüsselbein 44 mit dem Schulterblatt 45. Ihre Gelenkflächen sind leicht konvex. Bei 30% aller Individuen ist ein Diskus Articularis vorhanden, der diese Konvexität ausgleicht. Darüber hinaus ist die Articulatio Acromioclavicularis 46 relativ locker. Eine Bewegung des Gelenks wird nicht so sehr durch die Gelenkform sondern durch drei Bänder geführt. Ein erstes Band (Ligamentum Acromioclaviculare) umschließt und verfestigt die Gelenkkapsel. Ein zweites Band, (Ligamentum Trapezoideum) setzt einerseits am Processus Coracoideus und andererseits an der Vorderseite des Schlüsselbeines an und verläuft parallel zur Gelenkoberfläche, um so die Scherkräfte des Gelenks aufzunehmen. Ein drittes Band (Ligamentum Conoideum) verbindet den Processus Coracoideus mit der Rückseite des Schlüsselbeins, wodurch die Beweglichkeit des Schulterblatts zum Schlüsselbein stark eingeschränkt wird.
Weil darüber hinaus die Articulatio Acromioclavicularis 46 von Individuum zu Individuum sehr unterschiedlich ausgebildet ist, läßt sich über die Gelenkanatomie allein kein exakt festgelegtes Gelenk-Rotationszentrum bestimmen. Die in „F.C.T. van der Helm, Analysis of the kinematic and dynamic behaviour of the shoulder mechanism, Journal of Biomechanics, 27(5), S. 527–580, 1994 beschriebenen Untersuchungen haben gezeigt, daß der Mittelpunkt O_ac jedes Gelenks vereinfachend als Rotationszentrum angesehen werden kann. Für eine technische Realisierung der drei Freiheitsgrade der Articulatio Acromioclavicularis sind damit drei einzelne Rotationsgelenke erforderlich, deren Gelenkachsen sich in einem Rotationszentrum O_ac schneiden.
Beim Menschen steht das Schulterblatt ungefähr senkrecht auf dem Schlüsselbein und die Schlüsselbeinachse fungiert als Drehachse für das Schulterblatt. Damit ist diese Gelenkachse der Articulatio Acromioclavicularis 46 identisch mit der zsc3-Achse der Articulatio Sternoclavicularis 43. In dem an der Incisura Jugularis 47 verankerten Koordinatensystem 100' aus 4 gilt für Aufpunkt h_ac1 und Richtungsvektor η_ac ₁ der Drehachse zac1 der Articulatio Acromioclavicularis: ηac1 = (–0.560, –0.705, 0.434), hac1 = (165mm, –96mm, 58mm), und für Aufpunkt h_ac2 und normierten Richtungsvektor η_ac2 der Achse zac2 der Articulatio Acromioclavicularis: ηac2 = (0.257, 0.350, 0.901), hac2 = hac1 . Als drittes Gelenk im Schulterblattbereich schließt schließlich, wie bereits oben erwähnt, die Articulatio Thoracoscapularis die kinematische Kette des Schultergürtels. In der Regel ruht das Schulterblatt großflächig auf dem Brustkorb und es ist nur in Extremsituationen ein leichtes Abheben von diesem möglich. Auf der Wand des Brustkorbes kann das Schulterblatt in horizontaler und vertikaler Richtung gleiten und sich auf dem Brustkorb drehen. Die Bedeutung der Articulatio Thoracoscapularis liegt jedoch nicht in ihrer Kinematik sondern darin, daß sie eine großflächige Kraftübertragung zwischen Arm und Brustkorb ermöglicht.
Die 7 zeigt nun eine Gelenkeinheit 70, die sich prinzipiell zum Einsatz in einem Roboterarm eignet und einem menschlichen Schultergürtelgelenk nachgebildet ist. An einer Trägerstruktur 71 ist um eine Rotationsachse zsc1 ein Trägerarm 72 angelenkt, der an einem Ende um Rotationsachsen zsc2 und zsc3 schwenkbeweglich gelagert ist, um so die menschliche Articulatios Sternoclavicularis nachzubilden. Aufpunkt und Orientierung dieser Rotationsachsen zsc1, zsc2 und zsc3 entsprechen dabei den zugehörigen Achsen beim Menschen, die anhand der 5 beschrieben wurden.
Am anderen Ende des Trägerarmes 72 ist eine Gelenkeinheit mit Rotationsachsen zac1 und zac2 angeordnet, um den Trägerarm 72 mit einer den Abmessungen des Schulterblattes entsprechenden dreiecksförmigen Trägerstruktur 73 zu verbinden, die den charakteristischen Punkten am Schulterplatt entsprechende Punkten O_ac, O_ai und O_ts aufweist. Damit entspricht diese Gelenkeinheit der menschlichen Articulatio Acromioclavicularis, deren Zerlegung in rotatorische Gelenkachsen anhand der 6 erläutert wurde. Dagegen ist keine der menschlichen Articulatio Thoracoscapularis entsprechende Gelenkeinheit vorgesehen, da dieser ja, wie oben angeführt, keine kinematische Bedeutung zukommt. Auf den Dimensionen dieser Gelenkeinheit 70 beruhen nunmehr die Abmessungen der Gelenkeinheit des in der 1 dargestellten Roboterarmes 1, die dem menschlichen Schultergürtelgelenk entspricht.
Um aufzuzeigen, wie sich die dem menschlichen Schultergürtel entsprechende Gelenkeinheit im Roboterarm 1 aus der in der
7 dargestellten Gelenkeinheit 70 ableitet ist in der 8 nochmals die dem menschlichen Schultergürtelgelenk entsprechende Gelenkeinheit des Roboterarmes dargestellt. Die in der 8 gezeigte Gelenkeinheit 80 besteht aus drei Dreiecks-Gliedern 81, 82 und 83, die von einer Trägerstruktur 47 gehalten werden und hat somit drei Gelenkfreiheitsgrade. Die Dreiecksstruktur der ersten beiden Glieder erhöht dabei einerseits die Steifigkeit der Gelenkanordnung, andererseits ermöglicht sie auch, daß aufgrund der doppelten Aufhängung die Lager an den jeweiligen Drehachsen momentfrei gehalten werden. Das Gewicht eines Armes 85 kann somit auf dem Dreiecksglied 81 ruhen, ohne daß dabei nicht weiter dargestellte Antriebe belastet werden. Dem Dreiecksglied 83, das an dem Arm 85 schwenkbeweglich befestigt ist, kommt dabei die funktionale Bedeutung des menschlichen Schulterblattes 45 aus der 4 zu.
Die Gelenkeinheit 80 leitet sich aus der in der 7 dargestellten Gelenkeinheit 70 ab, indem dort ein der menschlichen Articulatio Acromioclavicularis entsprechendes Gelenk beim Punkt O_ac ausgebildet wird. Im Unterschied zur Gelenkeinheit 70 aus 7 hat damit die Gelenkeinheit 80 nur drei Gelenkfreiheitsgrade. Weiter ist die Rotationsachse zsc1, entsprechend der die Schultergürtelgelenkeinheit an der Trägerstruktur angelenkt ist, in die Senkrechte zur Achse zts1 gekippt. Die Achse zsc3 aus 7 entspricht der Achse zts2, die vom Ursprung des Bezugssystems 100 aus 1 zum Punkt O_ai verläuft. Der Achse zac2 aus 7 entspricht in 8 die Achse zts3 , die vom Punkt O_ai über den Punkt O_ac gelegt ist . Aufpunkt und Richtungsvektoren der Drehachse zts1, zts2 und zts3 wurden bereits anhand der Beschreibung von 1 genau angegeben.
Die so auf einem menschlichen Schultergürtelgelenk basierende Roboter-Gelenkeinheit stellt einen Kompromiß zwischen Stabilitäts- und Kinematikeigenschaften dar. Eine mögliche Vereinfachung dieser Gelenkeinheit kann beispielsweise in einer Vernachlässigung bzw. Versteifung des Gelenks mit der Gelenkachse zts3 bestehen. So ist es möglich, einen einfacheren und stabileren Mechanismus bereitzustellen.
Wird das einem menschlichen Schulterblatt entsprechende Dreiecksglied in einer Referenzstellung positioniert, so nehmen die Koordinaten der Punkte bezüglich dem in der 1 dargestellten Koordinatensystem 100 die entsprechenden Koordinaten der Ortsvektoren der charakteristischen Punkte des menschlichen Schulterblattes im an der Incisura Jugularis verankerten Koordinatensystem 100' aus 4 an.
Weiter ist der 4 zu entnehmen, wie das Schultergelenk 48 das Schulterblatt 45 und den Oberarm 49 miteinander verbindet. Das Schultergelenk 48 ermöglicht eine hohe Beweglichkeit des menschlichen Armes und ergänzt darin das Schultergürtelgelenk.
Die 9 zeigt eine schematische Darstellung des menschlichen Schultergelenks (Articulatio humeri). Das Schultergelenk 90 umfaßt einen am Humerus 91 ausgebildeten Gelenkkopf 94, der in eine konkave Gelenkpfanne 92 des Schulterblattes 93 paßt. Damit ist das Schultergelenk ein sphärisches Gelenk mit drei Freiheitsgraden. Bei einem durchschnittlichen, ausgewachsenen Menschen befindet sich das Zentrum des Schultergelenks 90 am oberen Teil der lateralen Schulterblattkante (O_ac, O_ai) ungefähr 2cm vor der Schulterblattebene (O_ac, O_ai, O_ts). Eine genauere Untersuchung des Gelenkkopfes 94 am Humerus 91 zeigt, daß die Gelenkfläche ungefähr ein Drittel der Oberfläche der Gelenkkugel bedeckt. Beim durchschnittlichen Menschen liegt der Durchmesser dieser Kugel in der Größenordnung von 25mm bis 30mm. Die Orientierung der Gelenkfläche ist der 9 zu entnehmen. In Referenzstellung ist der vertikale Durchmesser der Gelenkfläche um etwa 3mm bis 4mm größer als der horizontal-frontale Durchmesser. Die Flächenkrümmung nimmt also nach oben hin zu, was bei Abduktionsbewegungen des Humerus dazu führt, daß das Rotationszentrum leicht nach me dial rückt. Röntgenuntersuchungen haben gezeigt, daß die Rotationszentren für Ante-Retroversion sowie für die Außen- und Innenrotation des Armes zusammenfallen. Demgegenüber lassen sich für die Abduktion des menschlichen Armes zwei Phasen mit leicht unterschiedlichen Rotationszentren ermitteln. Diese Unterschiede sind jedoch nur geringfügig und weiter ohne Einfluß auf ein Gesamtmodell des menschlichen Armes. Aus diesem Grund wird ein einziges Rotationszentrum für das menschliche Schultergelenk angenommen.
Gegenstück des Humerus-Kopfes 94 ist die Gelenkpfanne 92. Die Oberfläche der Gelenkpfanne 92 ist etwa drei- bis viermal kleiner als die Oberfläche des Humerus-Kopfes 94. Sie ist nach lateral-ventral und leicht nach kranial ausgerichtet. Die beste Oberflächenkongruenz zwischen der Gelenkpfanne und dem Humerus-Kopf wird bei ca. 90° Abduktion erreicht. Eine Lippe begrenzt die Gelenkfläche. Nach oben wird das Gelenk durch nicht weiter dargestellte Schleimbeutel ergänzt. Diese ermöglichen die Bewegung des Humerus-Kopfes 94 relativ zu den Muskeln des Schulterblatts 93, der das Gelenk überdacht. Für ein durchschnittliches Individuum läßt sich bei Referenzstellung des Schultergürtels bezüglich dem an der Incisura Jugularis verankerten Koordinatensystem folgender Ortsvektor für das Rotationszentrum des Schultergelenks angeben: hSh = (178mm, –69mm, 18mm).
Somit entspricht das Rotationszentrum Osh der dem menschlichen Schulterblatt entsprechenden Gelenkeinheit 12 aus 1 dem Rotationszentrum beim natürlichen Schultergelenk, wie sich aus einem Vergleich der Ortsvektoren der Punkte O_sh in dem Roboterarmaus 1 und O'_sh für einen natürlichen Arm ergibt. Weil aus technischer Sicht Kugelgelenke insbesondere im Blick auf das Schmierverhalten schwerwiegende Nachteile haben, ist die Gelenkeinheit 12 aus 1 in eine kinematische Kette aus drei einzelnen Rotationsgelenken zerlegt. Drei Gelenkfreiheitsgrade können dabei durch eine beliebige Anord nung der Gelenkachsen erzielt werden, soweit diese nicht kolinear angeordnet sind. Die dem menschlichen Schultergelenk entsprechende Gelenkeinheit 12 in dem Roboterarm 1 aus 1 ermöglicht es, den dynamischen Eigenschaften des menschlichen Armes sehr nahe zu kommen und hat darüber hinaus Bewegungsgrenzen, die denjenigen des menschlichen Armes entsprechen. Eine Analyse der Arbeitsraumdichte dieser als Roll-Pitch-Yaw-Gelenk ausgebildeten Gelenkeinheit zeigt eine gute Überstimmung mit derjenigen des menschlichen Schultergelenks.
Durch das in der 4 gezeigte Ellenbogengelenk 50 sind Oberarmknochen 49 und Unterarm mit Elle 51 und Speiche 52 verbunden. Das Ellenbogengelenk 50 hat zwei Gelenkfreiheitsgrade, die das Beugen und Ausstrecken des Armes ermöglichen und Innen- und Außenrotationen des Unterarms umfassen. Beide Bewegungen können unabhängig voneinander durchgeführt werden. Wird eine Ellenbogen-Gelenkeinheit für einen Roboterarm entsprechend der 1 ausgeführt, so lassen sich damit Bewegungen ausführen, die im Einklang mit etwa in „Y. Youm, R.F. Dryer, K. Thambyrajah, A.F. Flatt, and B.L. Sprague, Biomechanical analyses of forearm pronation-supination and elbow flexion-extension, Journal of Biomechanics, Vol. 12, 1979, S.245–25 und „R.V. Gonzalez, E.L. Hutchins, R.E. Barr, and L.D. Abraham, Development and evaluation of a musculoskeletal model of the elbow joint complex, Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 118, 1996, S.32–40 beschriebenen Bewegungsuntersuchungen stehen. Aus kinematischer Sicht ist demnach die Ellenbogen-Gelenkeinheit des Roboterarmes aus 1 mit den Gelenkachsen zhu und zru mit einem menschlichen Ellenbogengelenk identisch. ^`
Der in der 4 dargestellte Ausschnitt eines menschlichen Skelettes umfaßt auch ein Handgelenk 53, das aus einem Handwurzelknochenblock besteht, der mit der Speiche 52 verbunden ist. Das Handgelenk ermöglicht eine Flexions- und Extensionsbewegung der Hand zu Innen- bzw. Außenseite des Unterarms und weiter eine radiale und ulnare Abduktionsbewegung, d.h. eine Bewegung der Hand in Richtung von Speiche und Elle.
Im Gegensatz zu allen anderen Gelenken des Arms sind im Handgelenk jedoch nicht nur zwei sondern eine ganze Ansammlung von Knochen an den Bewegungen beteiligt. Anatomisch läßt sich jedoch das Handgelenk in zwei Untergelenke unterteilen, die Articulatio Radiocarpea und die Articulatio Mediocarpea.
Zwar entspricht die Knochenstruktur des Handgelenks im Ansatz diesen zwei voneinander unabhängige Untergelenken, jedoch sind die Bewegungen aller Handwurzelknochen stark miteinander gekoppelt. Ein Netzwerk aus Bändern verbindet die einzelnen Knochen, so daß sich das Handgelenk ähnlich einer mit Steinen gefüllten Tasche verhält. Die Beweglichkeit der einzelnen Knochen im Bezug auf die Nebenknochen ist dabei stark eingeschränkt.
Für die zwei Bewegungsachsen des Handgelenks ergeben sich insgesamt vier kinematische Freiheitsgrade. Eine Bewegung der Hand wird jedoch dadurch stark eingeschränkt, daß ein Netzwerk von Bändern die einzelnen Handwurzelknochen miteinander verbindet. Untersuchungen zeigen, daß bei schwachen Auslenkungen des Handgelenks zunächst nur eine Bewegung in der Articulatio Radiocarpea stattfindet. Bei mittleren Auslenkungen wird die Bewegung dann auf beide Gelenke ungefähr gleich aufgeteilt und erst bei extremen Auslenkungen bewegt sich nur noch die Articulatio Mediocarpea.
Wird das menschliche Handgelenk nunmehr in zwei rotatorische Einzelgelenke zerlegt, so besteht die Schwierigkeit, daß aufgrund von faßförmigen Gelenkflächen des menschlichen Handgelenks, wie bei einer rotatorischen Handbewegung um die Articulatio Mediocarpea, die Stellung der zur Articulatio Radiocarpea gehörenden Achse bezüglich dem Unterarm unveränderlich ist. Dies läßt sich nicht mit einer kinematischen Kette aus zwei Rotationsgelenken modellieren. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß die Gelenkachsen bei der natürlichen menschlichen Hand dicht beieinanderliegen. Aus Gründen einer technischen Realisierung ist daher die im menschlichen Handgelenk entsprechende Gelenkeinheit mit den Gelenkachsen zrc1 und zrc2 aus 1 eben nur mit zwei Gelenkachsen ausgeführt. Diese beiden Gelenkachsen entsprechen weitestgehend den funktionellen Achsen des menschlichen Handgelenks. Dabei zeigt sich, daß ein Vergleich der Verläufe der Gelenkvariablen im Konfigurationsraum für die rotatorischen Bewegungen an den Achsen zrc1 und zrc2 hervorragend mit Bewegungsbahnen übereinstimmen, die an physiologischen Ersatzgelenken ermittelt wurden. Demnach gibt die Gelenkeinheit mit den Gelenkachsen zrc1 und zrc2 aus 1 die funktionelle Bewegung des natürlichen Handgelenk-Vorbilds sehr gut wieder.
Es sei bemerkt, daß sich zum Antrieb der Handgelenk-Einheiten grundsätzlich unterschiedliche Konzepte anbieten. Zum einen ist denkbar, Antriebe vorzusehen, bei denen Motoren direkt auf die Gelenkachse wirken. Bei diesem Antriebskonzept ist das Handgelenk leichter Steuerbar, nimmt aber dafür mehr Platz ein. Außerdem führt dies zu einem relativ schweren Handgelenk, da Motoren und Getriebe im Handgelenk plaziert werden müssen. Indirekte Motoren wirken dagegen wie künstliche Muskeln. Sie können, wie beim Menschen, im Unterarm in der Nähe des Ellenbogens untergebracht werden. Ihr Nachteil liegt darin, daß solche Antriebe Stahlzüge oder Steuergestänge erfordern. Dieser Nachteil wird jedoch durch die Vorteile einer günstigeren Masseverteilung und der Möglichkeit eines konstruktiv einfacher ausgelegten Handgelenks aufgewogen.
Die 10 zeigt, wie typischerweise von einer menschlichen Hand ein stabförmiger Werkzeuggriff umgriffen wird. Dabei bilden Daumen und Zeigefinger einen überlappenden Ring und der stabförmige Werkzeuggriff liegt auf der Handinnenfläche, die mit Mittelfinger, Ringfinger und kleinem Finger einen Halbzylinder mit einer Achse ztcp' formt. In einer Referenzstellung des menschlichen Armes, in der die der Articulatio Radiocarpea entsprechende Achse um 6° aus der Horizontalen geneigt ist und die Achse der Articulatio Mediocarpea zur Senkrechten in Richtung des Unterarmes um 20° geneigt ist, verläuft die Achse ztcp' ungefähr horizontal und schließt mit der Längsachse des Unterarms einen Winkel von δ = 60° ein. Wird ein Werkzeuggriff auf diese Weise gehalten, so können hohe Kräfte übertragen werden und dennoch ist eine gute Feinsteuerung möglich.
Der am Ende des in der 1 dargestellten Roboterarmes ausgebildete Griffteil 23 ist an der einem menschlichen Handgelenk entsprechenden Gelenkeinheit des Roboterarmes so positioniert, daß er dem in 10 dargestellten typischen Werkzeuggriff des Menschen entspricht, wobei der Griff durch einen Halbzylinder mit Ring modelliert ist, dessen Achse ztcp in einer Referenzstellung genau dem Verlauf der Achse ztcp' beim Menschen entspricht.
Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Manipulators ist als Roboter-Manipulator, als Demonstrator im Bereich der Biomechanik, als Kinematikmodell zur Visualisierung menschlicher Armbewegungen und als Prothese im Bereich der Medizin sowie zur Animation von Personen im Computerbereich, insbesondere in Computerspielen, vorgesehen.

Claims

Manipulator mit wenigstens einem Gelenkabschnitt, der wenigstens zwei Glieder mittels eines rotatorischen. Einzelgelenkes oder mittels einer kinematischen Kette von mehreren rotatorischen Einzelgelenken miteinander verbindet; dadurch gekennzeichnet, dass die Lage von Rotationsachsen (zts1, zts2, zts3, zsh1, zsh2, zsh3, zhu, zru, zrc1, zrc2) auf die biomechanische Funktion innerhalb eines menschlichen Gelenkabschnitts im Schulter- und/oder Arm- und/oder Handbereich abgestimmt ist und in einer Referenzstellung die Glieder in ihren Geometrien und die Lage der Rotationsachsen (zts1, zts2, zts3, zsh1, zsh2, zsh3, zhu, zru, zrc1, zrc2) der Einzelgelenke jedes Gelenkabschnittes (46, 48, 50, 53) mit einer Längentoleranz. von + 20% und einer Winkeltoleranz von + 10° der Geometrie und der Lage von Rotationsachsen eines menschlichen Gelenkabschnittes im Schulter- und/oder Arm- und/oder Handbereich in der Referenzstellung entsprechen.
Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsbereiche der rotatorischen Einzelgelenke mit den Achsen (zts1, zts2, zts3) derart ausgelegt sind, daß sie maximal 90° umfassen.
Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsbereiche der rotatorischen Einzelgelenke mit den Achsen (zsh1, zsh2, zsh3) derart ausgelegt sind, daß sie maximal 140° umfassen.
Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsbereiche der rotatorischen Einzelgelenke mit den Achsen (zhu1, zru, zrc1, zrc2) derart ausgelegt sind, daß sie maximal 175° umfassen.
Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder durch lineare Antriebsmittel derart hebelartig miteinander verbunden sind, daß die linearen Antriebsmittel die biomechanische Funktion von zugeordneten menschlichen Muskeln aufweisen.
Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Glied durch eine zweischenklig aufgehängte Dreiecks-Schwinge gebildet ist.
Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrien der Glieder und die Lage der Rotationsachsen anhand einer Referenzstellung eines Schultergürtels eines erwachsenen Menschen ausgehend von einem an der Incisura Jugularis des Brustkorbs verankerten globalen Koordinatensystems (x, y, z; xij, yij, zij) definiert sind, wobei zur Definition der Referenzstellung folgende charakteristische Knochenpunkte, nämlich ein Mittelpunkt (O_ac) der Articulatio Acromioclavicularis und zwei Eckpunkte (O_ts, O_ai) des Schulterblattes, nämlich Trigonum Spinae und Angulus Inferior gewählt sind, die bezogen auf das globale Koordinatensystem durch folgende Aufpunkte mit einer Längentoleranz von ± 20% und einer relativen Winkeltoleranz von ± 10° definiert sind: hac = (165 mm, –96 mm, 58 mm) hts = (86mm, –163 mm, 0 mm) hai = (119 mm, –160 mm, –109 mm).
Manipulator gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gelenkabschnitt auf den menschlichen Schultergürtel abgestimmt ist und eine erste Trägerstruktur (2) mit einer. ersten Rotationsachse (zts1) umfaßt, an der eine zweite Trägerstruktur (4) mit einer zweiten Rotationsachse (zts2) angelenkt ist, an der eine dritte Trägerstruktur (10) mit einer dritten Rotationsachse (zts3) schwenkbeweglich befestigt ist, wobei bezüglich eines auf der ersten Trägerstruktur (2) festliegenden Koordinatensystems für Orientierungen (η_tsi) und Aufpunkt (h_t _si) der jeweiligen Rotationsachsen (zts1, zts2, zts3) in einer Referenzstellung bis auf eine relative Längentoleranz von ± 20% und eine relative Winkeltoleranz von ± 10° gilt erste Rotationsachse : η_t _s ₁= (0,0,1) h_ts ₁= (0,0,0 ) zweite Rotationsachse: η_ts2= (0.524, –0.704, –0.480) h_ts2= (0, 0, 0) dritte Rotationsachse: η_ts3 =(0.251, 0.343, 0.905) h_ts3 = (119, –160, –109), jeweils in mm.
Manipulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gelenkabschnitt auf das menschliche Schultergelenk (48) abgestimmt ist und als dreiachsige Roll-Pitch-Roll-Gelenkeinheit (12a, 12b) oder als Roll-Pitch-Yaw-Gelenkeinheit (12c, 12d, 12e, 12f) ausgebildet ist, deren Rotationsachsen (zsh1, zsh2, zsh3) sich in einem Rotationszentrum (O_sh) schneiden, das in Referenzstellung des Schultergürtels bezogen auf das globale Koordinatensystem wie folgt definiert ist: h_sh= (178 mm, –69 mm, 18 mm) mit einer Längentoleranz von ± 20% und einer Winkeltoleranz von ± 10°.
Manipulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierungen (η_sh _i(i = 1, 2, 3)) der Drehachsen (zsh1, zsh2, zsh3) bis auf eine relative Längentoleranz von ± 20% und eine relative Winkeltoleranz von ± 10° wie folgt definiert sind: erste Rotationsachse: η_sh1(–0.730, –0.584, –0.355) zweite Rotationsachse: η_sh2(–0.271, –0.218, 0.937) dritte Rotationsachse: η_sh3(–0.626, 0.780, 0), jeweils in mm.
Manipulator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gelenkabschnitt auf das menschliche Ellenbogengelenk (50) abgestimmt ist, wobei eine nichtparallele kinematische Kette der rotatorischen Einzelgelenke ein den Oberarmknochen bildendes Glied mit einem die Elle bildenden Glied und das die Elle bildende Glied über zwei Anlenkpunkte mit einem die Speiche bildenden Glied verbindet.
Manipulator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen (zhu und zru) sich im Zentrum des Capitulum Humeri des Ellenbogens schneiden, wobei das Zentrum bei Referenzstellung bezogen auf das globale Koordinatensystem mit einer Längentoleranz von ± 20% und einer Winkeltoleranz von ± 10° wie folgt definiert ist: Aufpunkt h_ru= 221, 0, –59, 1, –320, 3), jeweils in mm.
Manipulator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste (zhu) und eine zweite (zru) Rotationsachse, an der ein Unterarmteil (16, 18) mit der Funktion einer Elle (51) und mit der Funktion einer Speiche (52) angelenkt ist, vorgesehen sind, wobei bezüglich des globalen Koordinatensystems (100) für die Orientierungen (η_hu, η_ru) und deren Aufpunkte (h_hu, h_ru) bis auf eine relative Längentoleranz von ± 20% und eine relative Winkeltoleranz von ± 10° gilt: erste Rotationsachse η_hu= (0.988, 0, 0.156) Aufpunkt erste Rotationsachse h_h _u = (178,–59,–327) zweite Rotationsachse η_ru= (–0.004, 0.999.0) Aufpunkt zweite Rotationsachse h_ru = (221.0, –59.1, –320.3), jeweils in mm.
Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gelenkabschnitt auf das menschliche Handgelenk (53) abgestimmt ist und eine erste (zrc1) und eine zweite (zrc2) Rotationsachse umfaßt, wobei bezüglich des globalen Koordinatensystems (100) für die Orientierungen (η_rci) und die Aufpunkte (h_rci(i = 1, 2)) bis auf eine relative Längentoleranz von ± 20% und eine relative Winkeltoleranz von ± 10° gilt: erste Rotationsachse η_rc1 = (0.966, 0.003, 0.259) Aufpunkt erste Rotationsachse h_rc1= (223, 237, –332) zweite Rotationsachse η_rc2 = (–0.251, –0.226, 0.941) Aufpunkt zweite Rotationsachse h_rc2= (244, 256, –322), jeweils in mm.
Manipulator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkabschnitt auf eine menschliche Hand im als geometrischer Zylinder vereinfachten Werkzeuggriff abgestimmt ist, für dessen Orientierung (η_tcp) und Aufpunkt (h_tcp) bezüglich des globalen Koordinatensystems (100) bis auf eine relative Längentoleranz von ± 20% und eine relative Winkeltoleranz von ± 10° gilt: Orientierung der Mittellängsachse des Werkzeuggriffes η_tcp = (0.860, 0.510, 0) Aufpunkt der Mittellängsachse des Werkzeuggriffes h_tcp =(236.6, 262.8, –311.6), jeweils in mm.
Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Oberarmknochen (13) bildende Glied und der Unterarmteil (16, 18) in einem Längenverhältnis von 1,17 ± 20% zueinander stehen.