DE2656378B2 - Manipulator zur Ausführung von Bewegungen, die denen des menschlichen Arms vergleichbar sind - Google Patents
Manipulator zur Ausführung von Bewegungen, die denen des menschlichen Arms vergleichbar sindInfo
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Description
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Ein Manipulator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus der USA-Patentschrift
Nr. 28 58 947 bekannt. Das dritte Gelenk befindet sich dort im Ellbogenbereich und gestattet in
Verbindung mit dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angesprochenen Ellbogengelenk eine Relativdrehung
zwischen Oberarmglied und Unterarmglied um zwei Achsen. Eine ähnliche Drehmöglichkeit um zwei
Achsen ist ferner zwischen dem Oberarmglied und dem stationären Teil des Manipulators vorgesehen.
Der bekannte Manipulator gestattet zwar eine vollständige Simulation aller möglicher Bewegungen
des menschlichen Arms, erfordert aber für den praktischen Einsatz eine außerordentlich aufwendige
Steuerung. Gewöhnlich werden nämlich Positionen im Raum, die von dem Handteil des Manipulators erreicht
werden sollen, in sphärischen Koordinaten aneeeeben.
Ist nun beispielsweise eine Bewegung zwischen zwei Punkten auszuführen, die in gleicher räumlicher
Richtung, jedoch in unterschiedlichen Abständen vom Bewegungsursprung (Schultermechanismus) des Manipulators
liegen, so sind bei dem bekannten Gerät zur Ausführung dieser an sich geradlinigen Bewegung unter
Beibehaltung der räumlichen Richtung mehrere Gelenke gleichzeitig oder nacheinander zu verstellen. Im
sphärischen Koordinatensystem an sich einfache Bewegungen erfordern dabei außerordentlich aufwendige
Umrechnungen auf die jeweiligen räumlichen Stellungen der Gelenke des bekannten Manipulators.
Ein spezieller Fall, bei dem die Komplexität in der
Steuerung des bekannten Manipulators auffällig wird,
ergibt sich dann, wenn versucht wird, die räumliche
Lage des Ellbogens zu ändern, die des Handgelenks jedoch beizubehalten. Dies ist beispielsweise erforderlich,
wenn der Ellbogen in einer bestimmten Stellung an Gegenständen der Umgebung anstößt oder wenn
zwischen der gewünschten Stellung des Handgelenks und dem stationären Teil des Manipulators ein
Hindernis vorhanden ist das der Ellbogen in einer bestimmtes Richtung umgehen muß. Wiederum ist ein
Verschwenken des Ellbogens bei ortsfestem Handgelenk nicht möglich, ohne gleichzeitig durch sehr
aufwendige Steuerung mehrere Gelenke gleichzeitig zu verändern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Manipulator der eingangs genannten Gattung derart
weiterzubilden, daß er mit einer möglichst einfachen Steuerung auskommt
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben.
Die dort genannten Maßnahmen erlauben es, durch eine rein im sphärischen Koordinatensystem arbeitende
Steuerung mit dem Handgelenkteil sämtliche von dem Manipulator überhaupt erreichbaren Raumpunkte anzusteuern,
wobei es das dritte Gelenk zusätzlich gestattet die Haltung des Arms zur Vermeidung von
Hindernissen zu ändern, ohne die Stellung des Handgelenkteils und der übrigen Gelenke zu verändern.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher
erläutert In den Zeichnungen zeigen
F i g. 1 und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise des
Manipulators und
F i g. 3 bis 5 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen
für die in der Anordnung nach F i g. 1 und 2 verwendbare Gelenkverbindung zur linearen
Bewegung des Handgelenkteils längs einer durch die Schulter verlaufenden Achse.
Gemäß F i g. 3 weist der Manipulator Gelenke 2C, 22 und 24 sowie einen Antrieb 26 und einen Arm 28 auf.
Das Gelenk 20 umfaßt eine um die z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems drehbare Welle. Das
Gelenk 22 ist mit der drehbaren Welle des Gelenks 20 verbunden und weist in der x— y-Koordinatenebene
eine drehbare Welle auf. Das Gelenk 24 ist an der drehbaren Welle des Gelenks 22 gehalten; seine
drehbare Welle zeigt in Richtung eines Vektors35*, der
vom Ursprung S wegweist. Der Arm 28 ist an der drehbaren Welle des Gelenks 24 angebracht und wird
vom Antrieb 26 in der Weise angetrieben, daß sich sein dem Handgelenk entsprechendes Teil VV stets entlang
der Verlängerungslinie des Vektors SS bewegt. Der Antrieb 26 und der Arm 28 des Gelenkmechanismus
werden untenstehend noch näher erläutert.
Im Gelenkmechanismus nach Fig.2 kann die
Stellung des Handgelenkteils Wausschließlich in einem
sphärischen Koordinatensystem β θ', λ') ausgedrückt
werden, wobei / den Abstand von dem lier Schulter entsprechenden Punkt S zum Handgelenkteil W, d. h.
den Abstand (SS'+SHV)bezeichnet Der Abstand /ist
jedoch lediglich eine Funktion eines Antriebswinkels ψ'
des Antriebs 26, da die Länge des Vektors SS' sists
konstant ist Θ' bezeichnet einen Drehwinkel des Gelenks 22 pad«' ist der Drehwinkel des Geienks 20.
Um eine der Größen ί θ' und α' zu verändern, muß
lediglich jeweils ein Gelenk angetrieben werden, so daß sich die Steuerung erheblich vereinfacht
Selbst wenn das Gelenk 24, das die Haltung des Arms 28 festlegt, betätigt wird, ändert sich die Stellung des is
Handgelenkteils Wnichi, da die Punkte 5,5'und W auf
einer Geraden liegen.
Die Fig.3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele des
Antriebs 26 bzw. des Arms 28. Der in F i g. 3 dargestellte Arm 28 weist einen mit S'E bezeichneten Oberarm 28'
und einen mit £lVbezeichneten Unterarm 28" auf. Der Oberarm 28' und der Unterarm 28" sind am Punkt E
miteinander verbunden und liegen in einer gemeinsamen Ebene mit dem Vektor SS^ oder dessen
Verlängerungslinie S'W. Der Unterarm 28" ist in der Richtung von W nach E (W-+ E) zum Punkt E' hin
verlängert, womit der Gelenkmechanismus ein Parallelogramm
5'— E—E'— S"— S' bildet, als dessen benachbarte
Seiten der Oberarm 28' und der verlängerte Teil EE'des Unterarms 28" dienen. Die benachbarten Sehsn
des Parallelogramms sind, wie auch der Punkt E, in der den Vektor SS* oder dessen Verlängerungslinie S'W
einschließenden Ebene miteinander verbunden. Der Oberarm 28' und der Unterarm 28" haben darüberhinaus
gleiche Länge, d. h, es ist S'E gleich EW. Wird der Winkel zwischen der Seite S'S" des Gelenks und dem
Vektor~SS*mit φ 1 und der Winkel zwischen S'£und SS'
mit ψ 2 bezeichnet, so ist der Winkel zwischen dem
Oberarm 28' (WE) und dem Vektor "55* ebenfalls gleich
ψ2.
Der Handgelenkteil Wkium somit mittels des Arms,
28 stets auf der Verlängerungslbiie des Vektors SS'
gehalten werden, wenn die Beziehung φ Ι =φ 2
eingehalten wird, indem S'S"und S'fTüber verschiedene
Antriebswellen angetrieben werden. Zu diesem Zweck ist ein in Fig.4 dargestelltes Differentialgetriebe 32
vorgesehen, das, von einem Antrieb 30 betrieben, S'S"
und S'E über Abtriebswellen 34 und 36 des Differentialgetriebes
antreibt
Fig.5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, das
ohne den vorstehend erläuterten Gelenkmechanismus auskommt
An den Stellen S'und E sind in F i g. 5 Antriebsmotoren
40 und 42 vorgesehen, die so gesteuert werden, daß φ 1 stets gleich φ 2 ist, also der Handgelenkteil IV sich
wiederum entlang der Vertingerungslinie des Vektors SS*bewegt
bewegt
bewegt
Der hier beschriebene Manipulator kann sehr einfach eingestellt werden, da die Elemente /, Θ' und et' jeweils
lediglich von einer einzigen Variablen abhängen, wie dies die folgenden Gleichungen zeigen:
Dementsprechend vereinfacht sich auch die Steuerung beim Einstellen des Handgelenkteils beträchtlich,
womit auch die Lage des Handgelenkteils leicht verändert werden kann. Schließlich können beim
Arbeiten mit dem Manipulator Hindernisse umgangen werden, da die Stellung des Ellbogens, die dem
redundanten Freiheitsgrad entspricht, unabhängig von der Stellung des Handgelenkteils verändert werden
kann. Diese Eigenschaft erleichtert das Arbeiten des Manipulators erheblich.
Claims (4)
1. Manipulator zur Ausführung von Bewegungen, die denen des menschlichen Arms vergleichbar sind,
mit einem Schultermechanismus, der ein erstes Gelenk und ein mit der Schwenkachse des ersten
Gelenks verbundenes zweites Gelenk, dessen Schwenkachse senkrecht zur Schwenkachse des
ersten Gelenks verläuft, umfaßt, ferner einem mit der Schwenkachse des zweiten Gelenks verbundenen
Oberarmglied und einem mit dem Oberarmglied über ein Ellbogengelenk verbundenen Unterarmglied
mit einem Handgelenkteil, wobei mit der Schwenkachse des zweiten Gelenks ein drittes is
Gelenk verbunden ist, dessen Schwenkachse senkrecht zu der des zweiten Gelenks und durch den
Schnittpunkt der Schwenkachsen des ersten und des zweiten Gelenks verläuft, dadurch gekennzeichnet,
daß das dritte Gelenk (24) Teil des Schultermechanismus ist und zwischen dem zweiten
Gelenk (22) und einer am Beginn des Oberarms angeordneten Gelenkverbindung (26) zur Bewegung
des Handgelenkteils (W) in Richtung der Schwenkachse des dritten Gelenks (24) angeordnet ist
2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Oberarmglied (28') ein Parallelogrammgestänge umfaßt, dessen beide mit dem
Antrieb (26) verbundene Arme derart steuerbar sind, daß sie immer gegenläufig um gleiche Winkel
verschwenkbar sind (F i g. 3).
3. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der Antrieb (26) sin Differentialgetriebe
(32) aufweist dessen beide Abtriebswellen (34,36) mit den beiden Armen des Parallelogrammgestänges
verbunden sind (F i g. 4).
4. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Antrieb einen ersten Motor (40)
zum Verschwenken des Oberarmgliedes und einen das Ellbogengelenk (E) bildenden zweiten Motor
(42) zum Verschwenken des Unterarmglieds umfaßt und daß die beiden Motore (40,42) derart steuerbar
sind, daß die Winkel, die das Ober- und das Unterarmglied mit der Richtung der Schwenkachse
des dritten Gelenks (24) bilden, immer einander gleich sind (F i g. 5).
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