DE60214032T2 - Steuerglied mit angespannten kabeln - Google Patents
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Description
- Gegenstand dieser Erfindung ist ein Steuerglied, das als wesentliches Element einen Satz angespannter Kabel umfasst.
- Die bekannten Steuerglieder oder Masterarme, die auf verschiedenen Gebieten benutzt werden, beruhen auf unterschiedlichen Mechanismen (s. zum Beispiel US-A-4 820 162). So sind Arme vorgeschlagen worden, die aus sukzessiven gelenkigen Teilstücken bestehen und eine gewisse Komplexität, eine beträchtliche Trägheit und kinematische Besonderheiten aufweisen, die ihre Bewegungsfähigkeit einschränken. Deswegen wurden auch noch andersartige Steuerglieder vorgeschlagen.
- So umfasst ein bekanntes Steuerglied ein Handhabungselement in Form eines Fingerhuts, in den der Benutzer eine Fingerspitze steckt und der an vier angespannten Kabeln aufgehängt ist, die bei der durch die Autoren vorgeschlagenen Realisierung von den Ecken eines gleichmäßigen Tetraeders abgewickelt werden, oder auch von vieren der Ecken eines Kubus, die sich an den Flächen des Kubus immer diametral gegenüberstehen. Die Kraftrückführungsmotoren, die die Kabelspannung sicherstellen, sind an diesen Ecken angeordnet. Indem er den Fingerhut verschiebt, modifiziert der Benutzer die abgewickelten Kabellängen, und die entsprechenden Messungen ermöglichen, die gewünschte Steuerung auszuführen. Dieser Mechanismus ist einfach und bequem, hat aber den Nachteil, platzaufwendig zu sein, da sich die Kabel auf allen Seiten des Fingerhuts erstrecken.
- Die Erfindung schlägt eine neue Steuergliedkonzeption vor, deren Struktur einfach und kostengünstig ist und die man leicht mit einer ausreichenden Steifigkeit versehen kann. In seiner allgemeinsten Form umfasst das Steuerglied des Typs mit Kabeln, die zwischen einem im Allgemeinen ortsfesten Sockel und einem beweglichen Gelenk gespannt sind: eine mit dem Sockel durch ein Doppelgelenk verbundene Hülse; drei Betätigungskabel zwischen der Hülse und dem Sockel, die in ebenso vielen die Hülse umgebenden Anschlusspunkten mit dem Sockel verbunden sind; einen in der Hülse verschiebbaren Trägeram des Gelenks; und wenigstens eine Betätigungseinrichtung zwischen dem Arm und der Hülse, wobei die Kabel und die Betätigungseinrichtung die Kontrolle bzw. Steuerung von Bewegungen des Steuerglieds gewährleisten. Im Sinne der Erfindung gewährleisten die Kabel und Betätigungseinrichtungen die aktive Kontrolle bzw. Steuerung von Bewegungen des Steuerglieds, das heißt, dass ihre freie Länge – oder allgemeiner ihr Zustand – variabel ist, dass sie aber das Steuerglied in einer im Ruhezustand festen Position halten und den Bewegungen des Steuerglieds, die diesem durch den Benutzer aufgezwungen werden, einen gewissen Widerstand entgegensetzen, um dem Steuerglied eine Steifigkeit zu verleihen, die eine angenehmere und genauere Steuerung ermöglicht. Die bei dieser Technik übliche Einrichtung besteht aus einem sogenannten Kraftrückführungsmotor, der oft mit einem Codierer versehen ist, der seine Bewegungen misst und sie zu der von dem Steuerglied gesteuerten Vorrichtung überträgt, um auch zur Steuerung beizutragen.
- In der Folge wird die Erfindung detailliert beschrieben, mit Bezug auf folgende beigefügte Figuren:
- die
1 , die das bekannte vorhergehend beschriebene Kabelsteuerglied darstellt, - die vier
2 ,3 ,4 und5 , die ebenso viele Realisierungsarten der Erfindung darstellen, und die2A und2B , die zwei Schnitte darstellen, die zwei Varianten der Realisierung der2 entsprechen. - Die
1 zeigt vier ähnliche Kabel1 bis4 , jeweils abgewickelt von Motoren5 bis8 , die sich an den Ecken eines gleichmäßigen Tetraeders befinden und alle auf einen nicht dargestellten Sockel montiert sind. Die Kabel1 bis4 konvergieren in Richtung eines Fingerhuts9 , in den ein Operator einen Finger steckt und ihn dann in eine gewünschte Position verschiebt, wobei er die Abwicklungslängen der Kabel1 bis4 modifiziert. Ein solches System wird vollständiger beschrieben in dem Artikel "A 3D Spacial Interface Device Using Tensed Strings" von Ishii und Sato, erschienen in der Revue "Presence" (Band 3, Nr. 1, Winter 1994, Seiten 81 bis 86). Die Autoren erwähnen auch, dass man dieses System perfektionieren kann, indem man es in demselben Raum in zwei Teile teilt und einen anderen bzw. weiteren Fingerhut vorsieht, dessen Kabel von Motoren abgewickelt werden, die sich an den vier unbesetzten Ecken des Kubus befinden, und in den der Operator einen anderen Finger der Hand steckt, insbesondere den Daumen. - Die Anordnung der vier Motoren ist gleich: so umfasst der Motor
6 (als einziger komplett dargestellt) eine Ausgangswelle10 , die eine Rolle11 antreibt, auf die das Kabel3 gewickelt ist; das Kabel3 durchläuft einen Kabelleiter12 (an der Ecke des Tetraeders), der ihm als Fixpunkt dient; ein Winkelcodierer13 ist mit der Ausgangswelle10 verbunden, um ihre Bewegungen zu verfolgen und der durch das Steuerglied gesteuerten Vorrichtung mitzuteilen. - Bei der ersten Realisierung der Erfindung, dargestellt in der
2 , trägt der Sockel des Steuerglieds das Bezugszeichen15 . Er ist eben und trägt drei Betätigungsmotoren16 ,17 und18 analog den schon erwähnten Motoren sowie ein mit einer Hülse20 verbundenes Doppelgelenk19 . In der Hülse20 gleitet ein Arm21 , der an ihrem offenen Ende22 austritt, entgegengesetzt zum Doppelgelenk19 . Das freie Ende des Arms20 trägt ein Gelenkt23 , das heißt ein Doppel- oder Tripelgelenk, das ermöglicht, ein von dem Benutzer festgehaltenes Element24 – zum Beispiel einen Stift bzw. Stab (stylo) – nach allen Richtungen zu neigen und eventuell zu drehen. Den Motoren16 ,17 und18 sind Kabel25 ,26 und27 zugeordnet, die in einem Verbindungs- bzw. Fixpunkt, zum Beispiel gebildet durch einen an sich bekannten Kabelleiter12 , mit dem Sockel15 verbunden sind und die pyramidenkantenartig bis zu dem offenen Ende22 der Hülse20 gespannt sind, wo sie befestigt sind. Es existiert ein viertes Kabel28 , das sich in der Hülse20 befindet und längs des Arms21 verläuft, an dem es mit seinen beiden Enden befestigt ist. Es bildet eine Schleife an einer Stelle, wo es um die Rolle eines vierten Motors29 geschlungen ist, der auf der Außenseite der Hülse20 befestigt ist, die an dieser Stelle durchbrochen ist. Man sieht, dass das zwischen der Hülse20 und dem Arm21 gespannte vierte Kabel28 und sein Motor29 gemeinsam eine Betätigungseinrichtung zwischen der Hülse20 und dem Arm21 bilden. Gleitschuhe31 oder irgend eine andere analoge Einrichtung, dargestellt in der2B , befinden sich zwischen der Hülse20 und dem Arm21 , um eine geführte Gleitbewegung zu gewährleisten. - Das aus Kabeln, der Hülse
20 und dem Arm21 bestehende System ist ein Steuerglied mit drei Freiheitsgraden, das heißt, dass es ermöglicht, das Gelenk23 in jedem Punkt eines Arbeitsvolumens zu positionieren. Die Motoren16 bis18 und29 und die Kabel25 bis28 ermöglichen, das Steuerglied in der Position zu halten, die es erreicht hat, und dabei während der Verschiebungen eine für den Operator angenehme Steifheit aufrechtzuerhalten. Die drei ersten Kabel25 ,26 und27 halten die Hülse20 und den Arm21 in der Neigung, die ihnen auf der Basis15 verliehen worden ist, entsprechend den beiden ersten Freiheitsgraden des Steuerglieds, und das vierte Kabel28 hält den Grad der Eindringtiefe des Arms21 in die Hülse20 aufrecht, entsprechend dem dritten Freiheitsgrad des Steuerglieds. Wie schon erwähnt wurde, kann das Gelenk23 auch mit Kraftrückführungsmotoren ausgerüstet werden, die ermöglichen, zusätzliche Freiheitsgrade zu steuern, verbunden mit der Neigung des Stifts bzw. Stabs (stylo)24 . Es kann auch von Nutzen sein, einen drehbaren Arm21 vorzusehen. Die Hülse20 könnte sich dann mit dem Arm21 drehen, wobei man das Doppelgelenk19 durch ein Kardangelenk ersetzt, das nur ermöglicht, die Neigung der Hülse20 auf der Basis15 durch ein Tripelkugelgelenk einzustellen. Um Drehungen des Arms21 und Beschädigungen des Kabels28 in der Hülse20 zu verhindern, ist vorgesehen, ihnen die in der2B dargestellten polygonalen Querschnitte zu geben. - Im Gegensatz dazu präsentiert die
2A einer Realisieningsvariante, bei der die Hülse20 und der Arm21 runde und konzentrische Querschnitte haben, um dem Arm zu ermöglichen, sich (in der Hülse) zu drehen; wenn eine Kraftrückführung entsprechend dieser Drehung gewünscht wird, kann sich das vierte Kabel28 wenigstens an einem Ende um den Arm21 herum wickeln, vor den Gleitschuhen31 . Es umfasst an dieser Stelle wenigstens eine Windung28' . Dies bedeutet einen weiteren Freiheitsgrad. Mit Hilfe eines zusätzlichen Motors können kann man simultan Translations- und Rotations-Kraftrückführungsbewegungen realisieren. - Bei dieser Realisierungsart ist der Raum für den Benutzer frei, denn alle Kabel befinden sich unter ihm; aber die Steuerungssteifigkeit bleibt etwas schwach, was den in der
3 dargestellten etwas anderen Aufbau rechtfertigt. Das Doppelgelenk19 (oder das Kugelgelenk) und die Befestigungspunkte der drei ersten Kabel25 ,26 und27 an der Hülse20 sind invertiert worden, das heißt, dass das Doppelgelenk19 sich jetzt in der Nähe des offenen Endes22 der Hülse20 befindet, befestigt an einem Träger32 in Form eines Auslegers der Basis15 , und dass das untere Ende33 der Hülse20 einen Befestigungspunkt34 der Kabel25 ,26 und27 umfasst, die jetzt im Wesentlichen koplanar sind. Man sieht sofort, dass die durch den Benutzer auf das Gelenk23 ausgeübten Kräfte ein schwächeres Moment erzeugen, da der Hebelarm auf die freie Länge des Arms21 reduziert ist und der Widerstand der Motoren16 bis18 schwerer zu überwinden ist. Zudem ist der Winkel der Hülse20 und der Kabel25 bis27 generell größer als bei der vorhergehenden Realisierungsart, so dass ihre Spannung ein größeres Moment ausübt. Diese beiden Unterschiede verleihen dem Steuerglied eine größere Steifigkeit. Man stellt auch fest, dass es möglich ist, das Gelenk23 größere Kippwinkelbewegungen ausführen zu lassen und dass der Arbeitsraum freier ist wegen der größeren Entfernung zwischen den drei ersten Kabeln25 bis27 und dem Gelenk23 . Man kann die Motoren16 bis18 auch über dem Ende33 anbringen, was größere Rotationsausschläge ermöglicht aber auch den Platzbedarf erhöht. - Bei der Realisierungsart der
4 wurde wieder die Gesamtkonzeption der3 benutzt, wobei aber der vierte Motor29 nicht mehr auf der Hülse20 befindet, sondern auf dem Träger32 , und nur ein Ende des vierten Kabels28 längs des Arms21 verläuft und an diesem befestigt ist; das Komplement28'' des Kabels28 erstreckt sich auf dem Träger32 bis zu dem Motor29 , von dem es abgewickelt wird. Zudem erstreckt sich eines der drei ersten Kabel, zum Beispiel27 , über die Befestigungseinrichtung33 hinaus und dringt in die Hülse20 ein, und sein Ende ist an dem Arm21 befestigt. Derart wird die Ausfahrsteifigkeit des Arms21 durch den Motor18 dieses Kabels27 erzeugt, und die Einfahrsteifigkeit des Arms21 wird durch den Motor29 des vierten Kabels28 erzeugt. Der Motor18 dient auch wie vorhergehend dazu, auf die Neigungsbewegungen der Hülse20 zu reagieren, wie die Motoren16 und17 . - Bei einer weiteren, nicht dargestellten Realisierungsart wird ein Kabel mit seinen beiden Enden am Arm
24 befestigt, wie in den2 und3 , mit einem auf dem Träger32 vorgesehenen Motor, wie in der4 . - Die
5 zeigt ein Verbundsteuerglied, gebildet durch ein Paar erfindungsgemäßer Steuerglieder (zum Beispiel der4 ), wobei die beiden Arme21 im Wesentlichen parallel sind und ihre Gelenke23 durch eine Verbindungsstange34 verbunden sind, die den Stift bzw. Stab (stylo)24 trägt. Ein derartiges Steuerglied umfasst fünf Freiheitsgrade, ohne dass man Gelenke von komplizierter Struktur wie bei den vorhergehenden Realisierungen benötigt. Festzustellen ist, dass die beiden elementaren Steuerglieder sich ziemlich nahe beieinander befinden können, ohne großes Singularitätsrisiko. - Das hier vorgeschlagene Steuerglied weist eine besonders einfache Struktur auf. Es kann auf den hauptsächlichen, sowohl traditionellen als auch in der Entwicklung befindlichen Gebieten des Steuerns mittels Masterarm, etwa der Telemanipulation, der Telechirurgie, der Spiele, der computerunterstützten Entwicklung bzw. Projektierung, usw., eingesetzt werden.
Claims (8)
- Steuerglied des Typs mit angespannten Kabeln, angeordnet zwischen einem Sockel (
15 ) und einem bewegbaren Gelenk (23 ), wobei das Glied umfasst: eine mit dem Sockel durch ein Doppelgelenk (19 ) verbundene Hülse (20 ); drei Betätigungskabel (25 ,26 ,27 ) zwischen der Hülse und dem Sockel, die in ebenso vielen die Hülse umgebenden Anschlusspunkten mit dem Sockel verbunden sind; einen in der Hülse verschiebbaren Trägerarm (21 ) des Gelenks (23 ); und wenigstens eine Betätigungseinrichtung (28 ,29 ) zwischen dem Arm und der Hülse, wobei die Kabel und die Betätigungseinrichtung die Kontrolle von Bewegungen des Glieds gewährleisten. - Steuerglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung ein Kabel (
28 ) umfasst, gespannt zwischen der Hülse (20 ) und dem Arm (21 ) und gesteuert bzw. kontrolliert durch einen Motor (29 ), und dadurch, dass die drei zwischen der Hülse (20 ) und dem Sockel (15 ) gespannten Kabel durch jeweilige Motoren (16 ,17 ,18 ) kontrolliert werden. - Steuerglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung ein Kabel (
28 ) umfasst, gespannt zwischen dem Arm (21 ) und dem Sockel (32 ) und kontrolliert durch einen auf dem Sockel angeordneten Motor, und dadurch, dass die drei zwischen der Hülse und dem Sockel gespannten Kabel durch jeweilige Motoren kontrolliert werden und eines der drei Kabel sich weiter als bis zur Hülse bis zu einem Befestigungspunkt am Arm erstreckt. - Steuerglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kabel (
25 ,26 ,27 ) pyramidenkantenförmig angeordnet sind und das Doppelgelenk (19 ) von Befestigungspunkten der Kabel an dem Sockel umgeben ist. - Steuerglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kabel im Wesentlichen koplanar sind und das Doppelgelenk (
19 ) sich an einer Stelle der Hülse (20 ) befindet, wo der Arm (21 ) austritt. - Steuerglied nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelgelenk ein Kugelgelenk ist.
- Steuerglied nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm in der Hülse drehbar ist.
- Zusammengesetztes Steuerglied, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Paar von – einem der vorangehenden Ansprüche entsprechenden – Gliedern mit einem gemeinsamen Sockel umfasst, wobei die Arme durch Kugelgelenke mit einem gemeinsamen Griffstück verbunden sind.
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