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.This invention relates to a manipulator
with at least one joint section, the at least two links
by means of a rotary single joint or by means of a kinematic
Chain of several rotatory single joints connects together.
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.Such a manipulator is from the EP 0 396 752 A1 known. It describes a robot with a mechanical arm that consists of two links, each of which represents a parallelogram. The first and the second link of the mechanical arm are coupled via an intermediate link with the aid of rotary single joints attached to the corners.
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.Manipulators based on investigations
of the human arm are called kinematic models
for the
Area of robotics. So it is from J. Lenarcic
and A. Umek, Simple model of human arm reachable workspace, IEEE
Transactions on Systems, Man and Cybernetics, 24 (8), 1994, (pp.1239-1246) known,
such kinematic models or manipulator joint sections that
for example shoulder and elbow joint of the human arm
correspond to build from joint members, each only one
have kinematic degrees of freedom. It shows that a kinematic
Simplicity of models or manipulators can be achieved
by mutually associated joint axes in respective joint sections
be placed so that they
intersect in at least one point and in a home position
considered as aligned with the main axes of the human body
can be.
This kinematic simplicity is bought with the fact that no immediate
anatomical relationship between such kinematics models and a
human arm is given. Compared to the human arm
the mobility of such models proves to be severely restricted because
the joint complexes are too simplified or have internal singularities.
Accordingly, the dynamic properties and constructive designs
such models or manipulators unsatisfactory. That's about
in the kinematics model known from the described prior art
of a human arm accepted that its total weight
the drive of a single joint.
Aufgabe der Erfindung ist, einen
Manipulator der eingangs genannten Art zu schaffen, der gegenüber dem
Stand der Technik wesentlich verbesserte Bewegungsmöglichkeiten
aufweist.The object of the invention is a
Manipulator of the type mentioned to create the opposite
State of the art significantly improved possibilities of movement
having.
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.This task is handled by a manipulator
solved the features of claim 1. In this way, a
Robot Manipulator
created with almost exactly the movements of a human
Have the arm or arm section executed.
Such a manipulator is thus universally applicable and suitable
are excellent for automating industrial processes previously carried out manually
Manufacturing processes. That of the physiology of a human
Poor derived construction leaves beyond
also artificial
Muscles as a drive for
the manipulator.
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.By the features of claims 2, 3
or 4 becomes an overload
of the rotatory individual joints avoided. The drives can be accommodated to save space
and the cable routing
will be relieved.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 5
vermeidet das aufwendige Vorsehen von rotatorischen Antrieben.The embodiment according to claim 5
avoids the complex provision of rotary drives.
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.Due to the characteristics of further training
according to claim 6, the stiffness of the joint portions of the manipulator
elevated.
At the same time, the double, i.e. two-leg suspension one
Storage without stress due to undesired tilting or torque
achieved so that
The weight of each link rests on the adjacent link
can, without burdening appropriate drives.
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.By the features of the claim
7 is an exact definition of the geometries and motion functions
achieved all joint sections in the shoulder, arm and hand area,
by always referring to the global coordinate system as a reference position
is created.
Weitere Vorteile und Merkmale der
Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.Other advantages and features of
Invention result from the claims and from the following
Description of preferred embodiments of the invention.
1 zeigt
einen als Roboterarm ausgebildeten mehrgliedrigen Manipulator gemäß der Ausführungsform
der Erfindung, 1 1 shows a multi-part manipulator designed as a robot arm according to the embodiment of the invention,
2 ein
Antriebskonzept für
einen Gelenkabschnitt des mehrgliedrigen Manipulators, 2 a drive concept for a joint section of the multi-part manipulator,
3 verschiedene
Ausführungsformen
eines der menschlichen Schultergelenkeinheit entsprechenden Gelenkabschnittes
in dem mehrgliedrigen Manipulator, 3 different embodiments of a joint section corresponding to the human shoulder joint unit in the multi-part manipulator,
4 einen
Ausschnitt aus einem menschlichen Skelett, 4 a section of a human skeleton,
5 eine
schematische Darstellung des menschlichen Schlüsselbeinbereichs, 5 a schematic representation of the human clavicle area,
6 eine
vergrößerte Darstellung
des menschlichen Schulterblattes, 6 an enlarged view of the human shoulder blade,
7 eine
aus Rotationsgelenken aufgebaute Gelenkeinheit, die dem menschlichen
Schultergürtelgelenk
nachgebildet ist, 7 a joint unit constructed from rotational joints, which is modeled on the human shoulder girdle joint,
8 eine
zum Einsatz in einem Roboterarm geeignete Schultergürtelgelenkeinheit,
die aus der Schultergürtelgelenkeinheit
von 7 abgeleitet ist, 8th one for use in a robot arm suitable shoulder girdle joint unit, which from the shoulder girdle joint unit of 7 is derived
9 eine
schematische Darstellung des menschlichen Schultergelenks, und 9 a schematic representation of the human shoulder joint, and
10 eine
menschliche Hand, die einen Werkzeuggriff hält. 10 a human hand holding a tool handle.
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.In the 1 is a robot arm as a manipulator 1 shown. It comprises a support structure 2 , on which a working arm can be pivoted about an axis of rotation zts1 3 is articulated. The working arm 3 includes a joint portion corresponding to a human shoulder girdle joint, a joint portion 12 which corresponds to a human shoulder joint, a joint section which corresponds to a human elbow joint and a joint section which corresponds to a human wrist.
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.The joint section of the robot arm corresponding to the human shoulder girdle joint 1 includes a support structure 4 which are pivotable about an axis of rotation zts1 on a support structure 2 is included. On a flank 5 the support structure 4 is a second support structure 6 pivoted about an axis zts2. On one side 8 of the support structure 6 is in a pivot bearing 9 a support structure about an axis zts3 10 with assigned lever arm 11 added.
Die Drehachse zts1 und die Drehachse
zts2 schneiden sich in einem Punkt Oij.
Die Drehachse zts2 und die Drehachse zts3 schneiden sich im Punkt Oai. Mit einem Eckpunkt Oac der
zweiten Stützträgerstruktur 6 und
einem Eckpunkt des zur Trägerstruktur 10 gehörenden Hebelarmes 11 spannt
der Punkt Oai ein Dreieck Oai,
Oae, Ots auf .The axis of rotation zts1 and the axis of rotation zts2 intersect at a point O ij . The axis of rotation zts2 and the axis of rotation zts3 intersect at point O ai . With a corner point O ac of the second support structure 6 and a corner point of the support structure 10 belonging lever arm 11 the point O ai spans a triangle O ai , O ae , O ts .
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 Oij gelegt ist, gilt
in einer Referenzstellung des Arbeitsarmes 4 für die Aufpunkte
hai, hac, hts der Punkte Oai,
Oac, Ots hac= (165, –96, 58) hai= (119, –160, –109) hts= (86, –163, 0),
wobei als Einheiten für
diese und alle nachfolgenden Längenangaben
mm gewählt
sind.Regarding one on the support structure 2 fixed Cartesian coordinate system 100 , preferably a global coordinate system 100 ' how using the 4 explained in detail, the origin of which is located at point O ij , applies in a reference position of the working arm 4 for the points h ai , h ac , h ts of the points O ai , O ac , O ts H ac = (165, -96, 58) H ai = (119, -160, -109) H ts = (86, -163, 0) , where mm is selected as units for this and all subsequent lengths.
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 Oij des
Koordinatensystems 100 ist die Drehachse zts3 unter einem
Winkel α2 = 57° angelenkt,
so daß in
der Referenzstellung der Punkte Oai, Oac, Ots für den normierten
Richtungsvektor der Drehachse zts3 im Koordinatensystem 100 gilt ηts3=(0.251, 0.343, 0.905).The axis of rotation zts2 is at the axis of rotation zts1 in the origin of the Cartesian coordinate system 100 articulated and encloses with it an angle of α 1 = 61.3 °. Regarding the Cartesian coordinate system 100 the axis of rotation zts1 runs along the normalized directional vector; η ts1 = (0, 0, 1) with its origin at the origin. The axis of rotation zts2 runs along the normalized direction vector η t S2 = (0.524, -0.704, -0.480) , with its point of origin also at the origin. At a distance a = 227.2 on the axis of rotation zts2 from the origin O ij of the coordinate system 100 the axis of rotation zts3 is articulated at an angle α 2 = 57 °, so that in the reference position the points O ai , O ac , O ts for the normalized direction vector of the axis of rotation zts3 in the coordinate system 100 applies η ts3 = (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 Osh schneiden. In der
Referenzstellung des Schultergürtelgelenkabschnittes
gilt für
den Ortsvektor hsh dieses Schnittpunktes
OSh im Koordinatensystem 100 ηsh = (178, –69, 18), wobei die Drehachse
zsh1 parallel zu der von den Punkten Oac,
Oai, Ots aufgespannten
Dreiecksebene verläuft
und unter einem Winkel von β1 = 135° zu
der Gelenkachse zts3 steht. Dabei beträgt der Abstand des Punktes
Osh, 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 Oai entlang
der Achse zts3 entfernt. Eine Referenzstellung für die Orientierung der dem
menschlichen Schultergelenk entsprechenden Gelenkeinheit ist durch
Angabe von Aufpunkt hshi und den normierten
Richtungsvektoren ηshi 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).The joint section of the working arm corresponding to the human shoulder girdle 3 is through a three-axis roll pitch yaw joint unit 12 assigned a joint section that corresponds to a human shoulder joint. This roll pitch yaw joint unit 12 has axes of rotation zsh1, zsh2, zsh3 which are perpendicular to one another and intersect at a point O sh . In the reference position of the shoulder girdle joint section, the position vector h sh of this intersection O Sh in the coordinate system applies 100 η sh = (178, -69, 18) , wherein the axis of rotation zsh1 runs parallel to the triangular plane spanned by the points O ac , O ai , O ts and is at an angle of β 1 = 135 ° to the joint axis zts3. The distance of the point O sh at which the axes of rotation zsh1, zsh2, zsh3 intersect is approximately 57.3 mm from the point at which the axis zsh1 is mounted on the axis zts3. This bearing point on the axis zsh1 on the axis zts3 is about 120.8 au from the point O ai along the axis zts3. A reference position for the orientation of the joint unit corresponding to the human shoulder joint is specified by specifying the starting point h shi and the normalized direction vectors η shi of the axes of rotation zhsi (i = 1, 2, 3) as follows H sh1 = h sh = (178.0, -69.0, 18.0), η sh1 = (-0.730, -0.584, -0.355 ) H sH2 = h sh , η sH2 = (-0.271, -0.218, 0.937) H sh3 = h sh , η sh3 = (-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 zij des Koordinatensystems 100 ausgerichtet
ist, wobei das Rotationszentrum Osh des
Gelenkabschnittes 12 und die als Ellenbogengelenk fungierende
Achse zhu senkrecht in die von den xij-xij-Achsen
des Koordinatensystems 100 aufgespannte Ebene projeziert
werden, der Abstand der Projektion von dem Punkt Osh zur
Projektion der als Ellenbogengelenk fungierenden Achse zhu parallel
zum Oberarmteil 13 345mm beträgt.The joint section 12 an upper arm part closes 13 at one end in an articulated fork 14 is pivotally mounted about an axis zh2 and an articulated fork at another end 15 has, in which an axis zhu acting as an elbow joint is held. upper arm part 13 with joint fork 14 and joint fork 15 are dimensioned so that when the reference position of both the joint section, which corresponds to the human shoulder girdle joint, and the joint section 12 , which corresponds to the human shoulder joint, the upper arm part 13 parallel to the axis z ij of the coordinate system 100 is aligned, the center of rotation O sh of the joint section 12 and the axis zhu, which functions as an elbow joint, perpendicular to that of the x ij -x ij axes of the coordinate system 100 spanned plane are projected, the distance of the projection from the point O sh to the projection of the axis acting as an elbow joint zhu parallel to the upper arm part 13 Is 345mm.
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 xij und zij aufgespannten Ebene
des Koordinatensystems 100 ausgerichtet.The axis zhu, which acts as an elbow joint, forms with the upper arm part 13 an angle of γ 1 = 81 ° and is at the reference position of the joint section corresponding to the human shoulder girdle joint and the joint section 12 , which corresponds to the human shoulder joint, parallel to the plane of the coordinate system spanned by the axes x ij and z ij 100 aligned.
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.On the axis zhu, which acts as an elbow joint, there is a first forearm part, forming a 90 ° angle 16 articulated, which has the function of a human spoke.
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 Oru 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 Oru im Koordinatensystem 100 gilt: hru=(221.0, –59.1, –320.3).At the end of the forearm part 16 is in a joint unit 17 a second forearm part articulated about an axis of rotation, which has the function of a human cubit. Here is the forearm part 16 recorded in an end region in the fixed joint unit in such a way that the axis of rotation zru and the axis zhu, which functions as the elbow joint, intersect at a point O ru to form a 90 ° angle, with the reference position of the joint section corresponding to the human shoulder girdle joint and the joint section 12 , which corresponds to the human shoulder joint, for the point of origin of the point O ru in the coordinate system 100 applies: H ru = (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 xij,
zij des Koordinatensystems 100 aufgespannten
Ebene steht, was nachfolgend als Referenzstellung des Unterarm-Abschnittes
bezeichnet wird, so gilt für
den Richtungsvektor ηru der Drehachse zru im Koordinatensystem 100 ηru = (–0.004,
0.999.0).Will the forearm part 16 or 18 so far angled that the axis of rotation zru perpendicular to that of the axes x ij , z ij of the coordinate system 100 plane, which is referred to below as the reference position of the forearm section, applies to the direction vector η ru of the axis of rotation zru in the coordinate system 100 η ru = (–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.At another end of the forearm part that functions as the Elle 18 is a wrist and grip unit 19 arranged. The wrist and grip unit 19 has a first rotary joint unit with joint axis zrc1, on which a wrist member 20 is fixed, in which a second rotatory joint unit with joint axis zrc2 is received around a second wrist member 21 with handle 23 to keep swiveling. The distance between the zhu and zrc1 axes, measured along the zru axis, is 296mm. The joint axes zrc1 and zrc2 are approximately 20 au spaced apart and perpendicular to each other.
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).With reference position of the joint section corresponding to the human shoulder girdle joint, the joint section 12 , which corresponds to the human shoulder joint and when the forearm section is in the reference position, the position of the joint axis is zrc1 in the coordinate system 100 determined as follows: H rc 1 = (223, 237, -332) and orientation H rc1 = (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
hre2 der Gelenkachse zrc2 im Koordinatensystem 100 hrc2= (244, 256 ., –322) und
den Richtungsvektor (Orientierung) η
rc2= (–0.251, –0.226,
0.941).Thereby, for the wrist articulated on the joint axis zrc1 22 defines a reference position by means of the condition that the joint axis zrc2 by 20 ° from the vertical of the forearm parts which act as ulna and spoke 16 and 18 formed plane is inclined towards the forearm. Thus, in the reference position of the joint section corresponding to the human shoulder girdle joint, the joint section applies 12 , which corresponds to the human shoulder joint, with reference position of the forearm section and wrist joint 22 for the point h re2 of the joint axis zrc2 in the coordinate system 100 H rc2 = (244, 256., -322) and the direction vector (orientation) 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.On the wrist link 22 is a grip part 23 arranged, which is formed by a half-shell, the shape of which is to represent the inside surface of a human hand and on one side with a ring 24 is provided, which has the meaning of a human thumb and index finger. The half shell has an axis ztcp, which when the other links of the robot arm are in reference position 1 by an onset H tcp = (236.6, 262.8, -311.6) and a direction vector H tep = (0.860, 0.510, .0.00) is defined.
Als Antriebskonzept für den Roboterarm
eignen sich Spindel- und
Linearantriebe und Seilzüge, die
entsprechend einem menschlichen Muskel verschiedene Glieder verbindet.As a drive concept for the robot arm
are spindle and
Linear drives and cables that
connects different limbs according to a human muscle.
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
Oai 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 Oac 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.For the joint section, which corresponds to the human shoulder girdle joint, is in the 2 a drive concept for the on the support structure 2 shown pivotally attached joint unit. As far as components with those of 1 match, they have the same reference numerals. The one around the axis zts1 on the support structure 2 hinged support structure 4 is a first linear drive 30 assigned, which is fixed at the point O ai and in an area 31 itself on the support structure 2 supported. It connects that of the support structure 4 formed rocker with the creation of a tetrahedron with the support structure 2 , A second linear drive 32 is in one place 33 on the support structure 2 articulated and in an area of the point O ac with the support structure 6 connected to according to the linear actuator 30 again form a tetrahedral structure. A third linear actuator 34 is in one place 35 on the side 5 of the support structure 4 supported and with the to the pivot bearing 9 belonging lever arm 11 set at a point ots. The three linear drives 30 . 32 and 34 thus strive the joint portion of the robot mechanism corresponding to the human shoulder girdle joint in such a way that each movable member is accommodated therein in a stable tetrahedral structure. The fact that all drives are arranged in a space-saving manner in the joint section also leads to the fact that there is sufficient space available for an arrangement of drives which, if necessary, the other joint units of the 1 shown robot mechanism are assigned.
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.In the 3 are alternative embodiments 12a . 12b . 12c . 12d and 12e the shoulder joint unit 12 out 1 pictured in 3 the embodiment 12f equivalent. The one in the 3 The illustrated embodiments of a shoulder joint unit each have three degrees of joint freedom, as is also the case with the human shoulder joint. In principle, these three degrees of joint freedom enable six different joint configurations of mutually perpendicular joint axes, all of which intersect at one point. The joint units 12a and 12b form so-called roll-pitch-roll joints, which are characterized in that a third axis of rotation of the joint is aligned parallel to the longitudinal axis of a subsequent arm element. A joint unit designed in this way may offer advantages in the case of a required cable routing and is frequently used in robot arms with an antropomorphic design. However, they have a serious disadvantage, which is that a singularity occurs in the center of their working space, namely when the joint unit 12a the upper arm in the x direction or in the joint unit 12b the upper arm points in the y direction. In contrast, are the joint units 12c to 12f formed as a so-called roll pitch yaw joint units, in which a third axis is perpendicular to a longitudinal axis of a subsequent arm element. Compared to roll-pitch-roll joints, a little more space is therefore required, but there are no singularities in the center of a work space with these joint units. However, the working space of roll pitch yaw joint units is smaller than that of roll pitch roll joints. If the working space of a robot arm is not to be restricted unnecessarily, a careful selection must be made. A preferred joint configuration is the roll pitch yaw joint 12f represents the joint unit corresponding to the human shoulder joint 12 in the robot arm 1 out 1 equivalent.
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.The position of the axes of each of the individual rotary joints in the 1 . 2 and 3 The articulated sections of a robot arm explained are matched due to their arrangement to the shape and biomechanical function of a human articulated section in the shoulder and / or hand area. It goes without saying that for a matching of the robot arm to the shape and biomechanical function of the human arm, it is primarily the aspect ratio of the sections of the robot arm that is important. The kinematic characteristics of a robot arm, as described above, change only insignificantly if the length dimensions are changed in a relative fluctuation range of approximately ± 20% and the angles formed by axes of rotation or assemblies in the robot arm relative to one another by approximately ± 10 °.
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.The following explains in detail how the dimensions of the 1 . 2 and 3 described robot arm are motivated by function and location on natural joint units in the shoulder girdle arm and hand area in a human arm.
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.The 4 shows a section of a human skeleton 40 with a chest (thorax) 41 , On the sternum (sternum) 42 of the rib cage 41 is about the articulation Sternoclavicularis 43 the clavicle 44 on the sternum 42 hinged. On the clavicle 44 is the shoulder blade (scapula) 45 , shoulder blade 45 and clavicle 44 are with each other about the articula tio Acromioclavicularis 46 connected. A connection between the rib cage 41 and shoulder blade 45 is in the area of the shoulder blade facing the spine 45 by means of the thoracoscapular articulation.
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. The human shoulder girdle area thus comprises three joints and forms a kinematically closed chain. Movements of the human shoulder girdle always prove to be movements of these individual joints. The position of the shoulder blade 45 can be described using three characteristic points, namely the center O' ac the Articulatio Acromioclavicularis 46 , and the end points "Trigonum Spinae" O ' fs and "Angulus Inferior"O' ai of the shoulder blade 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
Oac, Ots und Oai h'ac =
(165mm, –96mm,
58mm) h'ts = (86mm, –163mm,
Omm) h'ai = (119mm, –160mm, –109mm).Is located in the rib cage at the incisura jugularis 47 a global coordinate system 100 ' anchored in one of the “FCT van der Helm, HEJ Veeger, GM Pronk LHV van der Woude and RH Rozendal; Geometry Parameters for musculoskeletal modeling of the shoulder system; Journal of B mechanics, 25 (2): 129-144, 1992 "specified reference position of the shoulder belt for the location vectors of the points O ac , O ts and 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 Oac, Ots und Oai 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.The position vectors of these points thus correspond to the position vectors of the points O ac , O ts and O ai 1 and 2 in the event that the in 1 shown robot arm with respect to the coordinate system 100 is in a reference position. Consequently, the dimensions of the on the pivot bearing 9 attached lever arm 11 out 1 by the dimensions of an in 4 illustrated human shoulder blade 45 motivated.
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.The articular surfaces of the sternoclavicular articulation
are weakly saddle-shaped in humans but not
quite congruent this leads to
a mismatch of the two joint surfaces caused by the so-called
Discus Articularis is balanced, which, as in "B. Tillmann
and G.
Töndury,
Bewegungsapparat, Georg Thieme, Stuttgart, 1987", beschrieben, eine
begrenzte Rotation des Schlüsselbeines
um seine Längsachse ermöglicht.Töndury,
Musculoskeletal system, Georg Thieme, Stuttgart, 1987 ", described a
limited rotation of the clavicle
around its longitudinal axis.
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).The 5 explains the rotational degrees of joint freedom of the articulation Sternoclavicularis in a schematic representation of the human clavicle area. The articulatio sternoclavicularis can be broken down into a kinematic chain consisting of three rotatory individual joints. The orientation of the joint axes is determined using the global coordinate system anchored to the incisura jugularis in the chest 100 ' described, a first joint axis zsc1 runs almost vertically from the convex surface of the saddle joint from cranial-medial to caudal-lateral and it applies to its normalized direction vector η sc1 = (-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).A movement around this axis of rotation enables flexion and extension of the shoulder belt. The second axis zsc2 of the concave surface of the joint runs horizontally from dorsal-medial to frontal-lateral and is perpendicular to the axis zsc1. For their standardized direction vector, expressed in the coordinate system firmly anchored at the Incisura Jugularis: η sc2 = (0.500, 0.866, 0) ,
Diese Gelenkachse ermöglicht die
Elevation und Depression des Schultergürtels.This hinge axis enables the
Elevation and depression of the shoulder girdle.
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 einThe distance between the two joint axes
zsc1 and zsc2 in humans are controversial among experts.
One 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 "simulation and motion sharing study
Pp. 219-229
shows, however, that a
Abstand dieser beiden Gelenkachsen
nicht ins Gewicht fällt
und sie als sich in einem Punkt Osc schneidend
angesehen werden können,
wobei für den
Schnittpunkt gilt: hsc
1 = hsc2 = (50mm, –lOmm, 20mm).The distance between these two joint axes is insignificant and they can be seen as intersecting at a point O sc , where the following applies for the intersection: H sc 1 = h sc2 = (50mm, –lOmm, 20mm) ,
Bei einem durchschnittlichen, ausgewachsenen
Menschen schneidet die dritte rotatorische Gelenkachse zsc3 die
beiden anderen Gelenkachsen in dem Punkt Osc,
wobei für
Richtungsvektor ηsc
3 und Aufpunkt
hsc3 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.In the case of an average, fully grown person, the third rotary joint axis zsc3 intersects the other two joint axes at the point O sc , where η sc 3 and the point of origin h sc3 apply to the direction vector η sc3 = (0.828, -0.478, 0.292) H sc3 = h sc2 The 6 shows the area of Articulatio Acromioclavicularis in comparison to 1 enlarged view.
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.The Articulatio Acromioclavicularis 46 connects the clavicle 44 with the shoulder blade 45 , Their articular surfaces are slightly convex. 30% of all Individuals have an articular disk that compensates for this convexity. In addition, the Articulatio Acromioclavicularis 46 relatively easy. Movement of the joint is not so much guided by the joint shape but by three bands. A first band (ligamentum acromioclaviculare) encloses and solidifies the joint capsule. A second band, (Ligamentum Trapezoideum) attaches to the process coracoideus on the one hand and to the front of the clavicle on the other hand and runs parallel to the joint surface in order to absorb the shear forces of the joint. A third ligament (ligamentum conoideum) connects the coracoid process to the back of the clavicle, which severely limits the mobility of the shoulder blade to the clavicle.
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 Oac 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 Oac schneiden.Because the Articulatio Acromioclavicularis 46 is very differently developed from individual to individual, no precisely defined joint rotation center can be determined by the joint anatomy alone. The studies described in "FCT van der Helm, Analysis of the kinematic and dynamic behavior of the shoulder mechanism, Journal of Biomechanics, 27 (5), pp. 527-580, 1994 have shown that the center O ac of each joint is simpler than Center of rotation can be viewed. For a technical realization of the three degrees of freedom of the Articulatio Acromioclavicularis three individual rotary joints are necessary, whose joint axes intersect in a center of rotation O ac .
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 hac1 und Richtungsvektor ηac
1 der Drehachse
zac1 der Articulatio Acromioclavicularis: ηac1 = (–0.560, –0.705,
0.434), hac1 = (165mm, –96mm, 58mm),
und für
Aufpunkt hac2 und normierten Richtungsvektor ηac2 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.In humans, the shoulder blade is approximately perpendicular to the clavicle and the clavicle axis acts as the axis of rotation for the shoulder blade. This axis of articulation is the acromioclavicularis 46 identical to the zsc3 axis of the articulation Sternoclavicularis 43 , In the at the Incisura Jugularis 47 anchored coordinate system 100 ' out 4 applies to point h ac1 and direction vector η ac 1 of the axis of rotation zac1 of the articulation Acromioclavicularis: η ac1 = (-0.560, -0.705, 0.434) . H ac1 = (165mm, -96mm, 58mm) , and for point h ac2 and normalized direction vector η ac2 of the axis zac2 of the articulation Acromioclavicularis: η ac2 = (0.257, 0.350, 0.901) . H ac2 = h ac1 , Finally, as already mentioned above, the thoracoscapular articulation closes the kinematic chain of the shoulder girdle as the third joint in the shoulder blade area. As a rule, the shoulder blade rests extensively on the chest and it is only possible to lift it off slightly in extreme situations. The shoulder blade can slide horizontally and vertically on the wall of the rib cage and rotate on the rib cage. However, the importance of thoracoscapular articulation is not in its kinematics, but in the fact that it enables large-scale power transmission between the arm and chest.
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.The 7 now shows a joint unit 70 , which is suitable in principle for use in a robot arm and is modeled on a human shoulder girdle joint. On a support structure 71 is a support arm about an axis of rotation zsc1 72 articulated, which is pivotally mounted at one end about rotational axes zsc2 and zsc3, so as to simulate the human articulatios sternoclavicularis. The point and orientation of these rotation axes zsc1, zsc2 and zsc3 correspond to the corresponding axes in humans, which are based on the 5 have been described.
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 Oac, Oai und
Ots 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.At the other end of the support arm 72 is a joint unit with axes of rotation zac1 and zac2 arranged around the support arm 72 with a triangular support structure corresponding to the dimensions of the shoulder blade 73 to connect, which has points O ac , O ai and O ts corresponding to the characteristic points on the shoulder plate. This joint unit thus corresponds to the human articulation Acromioclavicularis, whose decomposition into rotational joint axes using the 6 was explained. In contrast, no joint unit corresponding to the human thoracoscapular articulation is provided, since, as mentioned above, this is of no kinematic importance. On the dimensions of this joint unit 70 are now based on the dimensions of the joint unit in the 1 shown robot arm 1 , which corresponds to the human shoulder girdle joint.
Um aufzuzeigen, wie sich die dem
menschlichen Schultergürtel
entsprechende Gelenkeinheit im Roboterarm 1 aus der in
derTo show how the joint unit corresponding to the human shoulder belt is in the robot arm 1 from the in the
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. 7 shown joint unit 70 is derived in the 8th the joint unit of the robot arm corresponding to the human shoulder girdle joint is shown again. The in the 8th shown joint unit 80 consists of three triangular links 81 . 82 and 83 that of a support structure 47 be held and thus has three joint degrees of freedom. The triangular structure of the first two links on the one hand increases the rigidity of the joint arrangement, and on the other hand it also enables the bearings on the respective axes of rotation to be kept free of torque due to the double suspension. The weight of an arm 85 can thus on the triangle 81 rest without loading drives not shown. The triangle 83 that on the arm 85 is pivotally attached, comes the functional meaning of the human shoulder blade 45 from the 4 to.
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 Oac 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 Oai verläuft. Der
Achse zac2 aus 7 entspricht
in 8 die Achse zts3
, die vom Punkt Oai über den Punkt Oac gelegt
ist . Aufpunkt und Richtungsvektoren der Drehachse zts1, zts2 und
zts3 wurden bereits anhand der Beschreibung von 1 genau angegeben.The joint unit 80 derives from the in the 7 shown joint unit 70 by forming a joint there corresponding to the human articulation Acromioclavicularis at point O ac . In contrast to the joint unit 70 out 7 thus has the joint unit 80 only three degrees of joint freedom. Furthermore, the axis of rotation zsc1, according to which the shoulder girdle joint unit is articulated on the support structure, is tilted into the perpendicular to the axis zts1. The axis zsc3 off 7 corresponds to the zts2 axis from the origin of the frame of reference 100 out 1 runs to point O ai . The axis zac2 off 7 corresponds to in 8th the axis zts3, which is from point O ai over point O ac . The point and direction vectors of the axis of rotation zts1, zts2 and zts3 have already been described with reference to 1 specified exactly.
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.So on a human shoulder girdle joint
based robot joint unit compromises between
Stability
and kinematic properties. A possible simplification of these
Joint unit can be neglected for example
or stiffening of the joint with the joint axis zts3.
So it is possible
to provide a simpler and more stable mechanism.
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.If the triangular member corresponding to a human shoulder blade is positioned in a reference position, the coordinates of the points with respect to that in FIG 1 shown coordinate system 100 the corresponding coordinates of the location vectors of the characteristic points of the human shoulder blade in the coordinate system anchored to the incisura jugularis 100 ' out 4 on.
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.Further is that 4 refer to how the shoulder joint 48 the shoulder blade 45 and the upper arm 49 connects with each other. The shoulder joint 48 enables a high mobility of the human arm and complements the shoulder girdle.
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 (Oac, Oai)
ungefähr
2cm vor der Schulterblattebene (Oac, Oai, Ots). 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.The 9 shows a schematic representation of the human shoulder joint (Articulatio humeri). The shoulder joint 90 includes one on the humerus 91 trained joint head 94 that is in a concave socket 92 of the shoulder blade 93 fits. This makes the shoulder joint a spherical joint with three degrees of freedom. In an average adult, the center of the shoulder joint is located 90 on the upper part of the lateral shoulder blade edge (O ac , O ai ) about 2 cm in front of the shoulder blade level (O ac , O ai , O ts ). A closer examination of the joint head 94 on the humerus 91 shows that the articular surface covers approximately one third of the surface of the articular ball. In the average person, the diameter of this sphere is in the order of 25mm to 30mm. The orientation of the articular surface is the 9 refer to. In the reference position, the vertical diameter of the articular surface is about 3mm to 4mm larger than the horizontal-frontal diameter. The surface curvature thus increases upwards, which leads to abduction movements of the humerus that the center of rotation moves slightly towards me dial. X-ray studies have shown that the centers of rotation for ante retroversion and for the external and internal rotation of the arm coincide. In contrast, two phases with slightly different rotation centers can be determined for abduction of the human arm. However, these differences are only minor and have no effect on an overall model of the human arm. For this reason, a single center of rotation is assumed for the human shoulder joint.
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).Counterpart of the humerus head 94 is the socket 92 , The surface of the socket 92 is about three to four times smaller than the surface of the humeral head 94 , It is oriented laterally-ventrally and slightly cranially. The best surface congruence between the socket and the humeral head is achieved with an abduction of approx. 90 °. A lip delimits the articular surface. At the top, the joint is supplemented by bursa not shown. These allow the humeral head to move 94 relative to the muscles of the shoulder blade 93 who roofs the joint. For an average individual, the following position vector for the center of rotation of the shoulder joint can be specified for the shoulder belt with reference to the coordinate system anchored to the incisura jugularis: H Sh = (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 Osh 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.The center of rotation Osh thus corresponds to the joint unit corresponding to the human shoulder blade 12 out 1 the center of rotation at the natural shoulder joint, as can be seen from a comparison of the location vectors of the points O sh in the robot arm 1 and o ' sh for a natural arm. Because, from a technical point of view, ball joints have serious disadvantages, particularly when it comes to lubrication behavior, the joint unit is 12 out 1 broken down into a kinematic chain of three individual rotary joints. Three degrees of joint freedom can be achieved by any arrangement of the joint axes, provided that these are not arranged colinearly. The joint unit corresponding to the human shoulder joint 12 in the robot arm 1 out 1 makes it possible to get very close to the dynamic properties of the human arm and also has movement limits that correspond to those of the human arm. An analysis The working space density of this joint unit, which is designed as a roll pitch yaw joint, shows a good correspondence with that of the human shoulder joint.
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. ` Through that in the 4 shown elbow joint 50 are
humerus 49 and forearm with ulna 51 and
spoke 52 connected. The elbow joint 50 Has
two degrees of joint freedom that allow the arm to bend and extend
enable and
Internal and external rotations
of the forearm. Both movements can be carried out independently of one another.
Corresponding to an elbow joint unit for a robot arm
the 1 executed so
can be used to perform movements that are in line with approx
in "Y. Youm,
R.f. Dryer, K. Thambyrajah, A.F. Flatt, and B.L. Sprague, Biomechanical
analyzes of forearm pronation-supination and elbow flexion-extension, Journal
of Biomechanics, Vol. 12, 1979, pp. 245-25 and "R.V. Gonzalez, E.L. Hutchins,
RE. Barr, and L.D. Abraham, Development
and evaluation of a musculoskeletal model of the elbow joint complex,
Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 118, 1996, pp. 32-40
Movement examinations are available. So from a kinematic point of view
the elbow joint unit of the robot arm 1 with the articulated axes zhu and zru with
identical to a human elbow joint.`
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.The Indian 4 illustrated section of a human skeleton also includes a wrist 53 , which consists of a block of carpal bones that is connected to the spoke 52 connected is. The wrist allows a flexion and extension movement of the hand to the inside or outside of the forearm and further a radial and ulnar abduction movement, ie a movement of the hand in the direction of the spoke and ulna.
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.In contrast to all other joints of the
Arms are not just two in the wrist, but one
Accumulation of bones involved in the movements. Anatomically can be
however, divide the wrist into two lower joints, the articulatio
Radiocarpea and the 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. Although the bone structure of the wrist at the base corresponds to these two mutually independent lower joints, the movements of all carpal bones are strongly linked. A network of ligaments connects the individual bones so that the wrist behaves like a pocket filled with stones. The mobility of the individual bones in relation to the secondary bones is severely restricted.
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.For
the two axes of movement of the wrist result in total
four degrees of freedom. However, a hand movement will
severely restricted
the existence
Network of tapes
connects the individual carpal bones together. investigations
show that in weak
Deflections of the wrist initially
there is only one movement in the radiocarpic articulation. at
The movement then becomes moderate to both joints
about the same
split and only moves with extreme deflections
the 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.If the human wrist is now broken down into two individual rotatory joints, there is the difficulty that, due to the barrel-shaped articular surfaces of the human wrist, as in the case of a rotary hand movement around the articulatio mediocarpea, the position of the axis belonging to the articulatio radiocarpea cannot be changed with respect to the forearm. This cannot be modeled with a kinematic chain consisting of two rotating joints. Another difficulty is that the joint axes are close together in the natural human hand. For technical implementation reasons, the joint unit in the human wrist with the joint axes zrc1 and zrc2 is therefore out 1 just carried out with two hinge axes. These two joint axes largely correspond to the functional axes of the human wrist. It can be seen that a comparison of the courses of the joint variables in the configuration space for the rotational movements on the axes zrc1 and zrc2 agree perfectly with trajectories that were determined on physiological replacement joints. Accordingly, the joint unit with the joint axes zrc1 and zrc2 outputs 1 the functional movement of the natural wrist model very well again.
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.It should be noted that the
Driving the wrist units fundamentally different concepts
to offer. On the one hand, it is conceivable to provide drives in which
Motors act directly on the joint axis. With this drive concept
the wrist is easier to control, but takes up more space
on. Moreover
does this
to a relatively heavy wrist because motors and gears in the wrist
must be placed.
Indirect motors, on the other hand, act like artificial muscles. You can like
in humans, placed in the forearm near the elbow
become. Your disadvantage is that such drives steel trains or
control linkage
require. However, this disadvantage is compounded by the advantages of one
cheaper
Mass distribution and the possibility
of a wrist with a simpler design.
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.The 10 shows how a rod-shaped tool handle is typically gripped by a human hand. The thumb and index finger form an overlapping ring and the rod-shaped tool handle lies on the palm of the hand, which forms a half cylinder with an axis ztcp 'with the middle finger, ring finger and little finger. In a reference position of the human arm, in which the axis corresponding to the articulatio radiocarpea is inclined 6 ° from the horizontal and the axis of the articulatio mediocarpea to the vertical in Rich If the forearm is inclined by 20 °, the ztcp 'axis runs approximately horizontally and forms an angle of δ = 60 ° with the longitudinal axis of the forearm. If a tool handle is held in this way, high forces can be transmitted and still good fine control is possible.
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.The end of the in the 1 shown robot arm trained grip part 23 is positioned on the joint unit of the robot arm corresponding to a human wrist so that it corresponds to the in 10 The typical tool handle of the human being shown corresponds, the handle being modeled by a half cylinder with a ring, the axis of which in a reference position corresponds exactly to the course of the axis of the human being in a reference position.
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.A preferred use of the manipulator according to the invention
is a robot manipulator, a demonstrator in the field of biomechanics,
as a kinematic model for visualizing human arm movements
and as a prosthesis in the field of medicine and for the animation of
People in the computer field, especially in computer games, provided.
