DE60214032T2

DE60214032T2 - Steuerglied mit angespannten kabeln

Info

Publication number: DE60214032T2
Application number: DE60214032T
Authority: DE
Inventors: Florian Gosselin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2022-12-07
Also published as: JP2005512223A; FR2833367B1; US7698966B2; FR2833367A1; EP1451659B1; WO2003050639A1; AU2002364319A1; DE60214032D1; US20050016316A1; EP1451659A1

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 und 5, die ebenso viele Realisierungsarten der Erfindung darstellen, und die 2A und 2B, die zwei Schnitte darstellen, die zwei Varianten der Realisierung der 2 entsprechen.
Die 1 zeigt vier ähnliche Kabel 1 bis 4, jeweils abgewickelt von Motoren 5 bis 8, die sich an den Ecken eines gleichmäßigen Tetraeders befinden und alle auf einen nicht dargestellten Sockel montiert sind. Die Kabel 1 bis 4 konvergieren in Richtung eines Fingerhuts 9, in den ein Operator einen Finger steckt und ihn dann in eine gewünschte Position verschiebt, wobei er die Abwicklungslängen der Kabel 1 bis 4 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 Ausgangswelle 10, die eine Rolle 11 antreibt, auf die das Kabel 3 gewickelt ist; das Kabel 3 durchläuft einen Kabelleiter 12 (an der Ecke des Tetraeders), der ihm als Fixpunkt dient; ein Winkelcodierer 13 ist mit der Ausgangswelle 10 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 Bezugszeichen 15. Er ist eben und trägt drei Betätigungsmotoren 16, 17 und 18 analog den schon erwähnten Motoren sowie ein mit einer Hülse 20 verbundenes Doppelgelenk 19. In der Hülse 20 gleitet ein Arm 21, der an ihrem offenen Ende 22 austritt, entgegengesetzt zum Doppelgelenk 19. Das freie Ende des Arms 20 trägt ein Gelenkt 23, das heißt ein Doppel- oder Tripelgelenk, das ermöglicht, ein von dem Benutzer festgehaltenes Element 24 – zum Beispiel einen Stift bzw. Stab (stylo) – nach allen Richtungen zu neigen und eventuell zu drehen. Den Motoren 16, 17 und 18 sind Kabel 25, 26 und 27 zugeordnet, die in einem Verbindungs- bzw. Fixpunkt, zum Beispiel gebildet durch einen an sich bekannten Kabelleiter 12, mit dem Sockel 15 verbunden sind und die pyramidenkantenartig bis zu dem offenen Ende 22 der Hülse 20 gespannt sind, wo sie befestigt sind. Es existiert ein viertes Kabel 28, das sich in der Hülse 20 befindet und längs des Arms 21 verläuft, an dem es mit seinen beiden Enden befestigt ist. Es bildet eine Schleife an einer Stelle, wo es um die Rolle eines vierten Motors 29 geschlungen ist, der auf der Außenseite der Hülse 20 befestigt ist, die an dieser Stelle durchbrochen ist. Man sieht, dass das zwischen der Hülse 20 und dem Arm 21 gespannte vierte Kabel 28 und sein Motor 29 gemeinsam eine Betätigungseinrichtung zwischen der Hülse 20 und dem Arm 21 bilden. Gleitschuhe 31 oder irgend eine andere analoge Einrichtung, dargestellt in der 2B, befinden sich zwischen der Hülse 20 und dem Arm 21, um eine geführte Gleitbewegung zu gewährleisten.
Das aus Kabeln, der Hülse 20 und dem Arm 21 bestehende System ist ein Steuerglied mit drei Freiheitsgraden, das heißt, dass es ermöglicht, das Gelenk 23 in jedem Punkt eines Arbeitsvolumens zu positionieren. Die Motoren 16 bis 18 und 29 und die Kabel 25 bis 28 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 Kabel 25, 26 und 27 halten die Hülse 20 und den Arm 21 in der Neigung, die ihnen auf der Basis 15 verliehen worden ist, entsprechend den beiden ersten Freiheitsgraden des Steuerglieds, und das vierte Kabel 28 hält den Grad der Eindringtiefe des Arms 21 in die Hülse 20 aufrecht, entsprechend dem dritten Freiheitsgrad des Steuerglieds. Wie schon erwähnt wurde, kann das Gelenk 23 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 Arm 21 vorzusehen. Die Hülse 20 könnte sich dann mit dem Arm 21 drehen, wobei man das Doppelgelenk 19 durch ein Kardangelenk ersetzt, das nur ermöglicht, die Neigung der Hülse 20 auf der Basis 15 durch ein Tripelkugelgelenk einzustellen. Um Drehungen des Arms 21 und Beschädigungen des Kabels 28 in der Hülse 20 zu verhindern, ist vorgesehen, ihnen die in der 2B dargestellten polygonalen Querschnitte zu geben.
Im Gegensatz dazu präsentiert die 2A einer Realisieningsvariante, bei der die Hülse 20 und der Arm 21 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 Kabel 28 wenigstens an einem Ende um den Arm 21 herum wickeln, vor den Gleitschuhen 31. Es umfasst an dieser Stelle wenigstens eine Windung 28'. 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 Doppelgelenk 19 (oder das Kugelgelenk) und die Befestigungspunkte der drei ersten Kabel 25, 26 und 27 an der Hülse 20 sind invertiert worden, das heißt, dass das Doppelgelenk 19 sich jetzt in der Nähe des offenen Endes 22 der Hülse 20 befindet, befestigt an einem Träger 32 in Form eines Auslegers der Basis 15, und dass das untere Ende 33 der Hülse 20 einen Befestigungspunkt 34 der Kabel 25, 26 und 27 umfasst, die jetzt im Wesentlichen koplanar sind. Man sieht sofort, dass die durch den Benutzer auf das Gelenk 23 ausgeübten Kräfte ein schwächeres Moment erzeugen, da der Hebelarm auf die freie Länge des Arms 21 reduziert ist und der Widerstand der Motoren 16 bis 18 schwerer zu überwinden ist. Zudem ist der Winkel der Hülse 20 und der Kabel 25 bis 27 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 Gelenk 23 größere Kippwinkelbewegungen ausführen zu lassen und dass der Arbeitsraum freier ist wegen der größeren Entfernung zwischen den drei ersten Kabeln 25 bis 27 und dem Gelenk 23. Man kann die Motoren 16 bis 18 auch über dem Ende 33 anbringen, was größere Rotationsausschläge ermöglicht aber auch den Platzbedarf erhöht.
Bei der Realisierungsart der 4 wurde wieder die Gesamtkonzeption der 3 benutzt, wobei aber der vierte Motor 29 nicht mehr auf der Hülse 20 befindet, sondern auf dem Träger 32, und nur ein Ende des vierten Kabels 28 längs des Arms 21 verläuft und an diesem befestigt ist; das Komplement 28'' des Kabels 28 erstreckt sich auf dem Träger 32 bis zu dem Motor 29, von dem es abgewickelt wird. Zudem erstreckt sich eines der drei ersten Kabel, zum Beispiel 27, über die Befestigungseinrichtung 33 hinaus und dringt in die Hülse 20 ein, und sein Ende ist an dem Arm 21 befestigt. Derart wird die Ausfahrsteifigkeit des Arms 21 durch den Motor 18 dieses Kabels 27 erzeugt, und die Einfahrsteifigkeit des Arms 21 wird durch den Motor 29 des vierten Kabels 28 erzeugt. Der Motor 18 dient auch wie vorhergehend dazu, auf die Neigungsbewegungen der Hülse 20 zu reagieren, wie die Motoren 16 und 17.
Bei einer weiteren, nicht dargestellten Realisierungsart wird ein Kabel mit seinen beiden Enden am Arm 24 befestigt, wie in den 2 und 3, mit einem auf dem Träger 32 vorgesehenen Motor, wie in der 4.
Die 5 zeigt ein Verbundsteuerglied, gebildet durch ein Paar erfindungsgemäßer Steuerglieder (zum Beispiel der 4), wobei die beiden Arme 21 im Wesentlichen parallel sind und ihre Gelenke 23 durch eine Verbindungsstange 34 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

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.