DE60307594T2

DE60307594T2 - Bedienelement mit drei parallelen armen

Info

Publication number: DE60307594T2
Application number: DE60307594T
Authority: DE
Inventors: Florian Gosselin; Eric Villedieu; Jean-Pierre Friconneau
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2023-01-21
Also published as: WO2003062939A1; JP4044046B2; EP1468346B1; FR2835068B1; FR2835068A1; US20050081673A1; US7392722B2; ATE336743T1; JP2005516277A; DE60307594D1; EP1468346A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bedienelement mit drei parallelen Armen.
Die Bedienelemente sind für verschiedene Verfahren oder Anwendungen wie Telemanipulation, Telechirurgie, Spiele bzw. Spielgeräte oder zur Steuerung anderer Geräte bestimmt, wobei sie Bewegungen, die ein Operator mit ihnen ausführt, aufzeichnen und liefern. Ihre Strukturen umfassen eine variable Anzahl von Freiheitsgraden, die ermöglichen, eine gleiche Anzahl von Funktionen des Geräts zu steuern.
Man kennt verschiedene Arten von Bedienelementstrukturen, wobei die am weitesten verbreitete Verkettungen von miteinander gelenkig verbundenen Teilstücken zwischen einem generell stationären Sockel und einem durch den Operator gehaltenen Griff umfasst. Diese Verkettungen werden als Zweige oder Arme bezeichnet. Oft handelt es sich um einen einzigen Zweig oder Arm und das Steuerorgan ist dann ein Gelenkarm oder "Serienarm", der, um über eine große Anzahl von Freiheitsgraden zu verfügen, entweder eine große Anzahl den verschiedenen Gelenken jeweils zugeordnete Motoren umfassen muss oder, wenn die Motoren sich in der Nähe des Sockels befinden, komplexe Transmissionen. Auf jeden Fall ist der Aufbau notwendigerweise komplex. Man kennt auch Bedienelemente mit zwei oder drei Zweigen oder Armen, parallel zwischen Sockel und Griff montiert, die eine große Anzahl Freiheitsgrade ermöglichen, wobei die Arme von einfacher Bauart sind. Die Arme sind alle durch Doppelgelenke (Universal- oder Kardangelenke) oder Dreifachgelenke (Kugelgelenke) mit einem Zentralgelenk verbunden, das den Griff umfasst.
Der Entwickler eines Bedienelements dieser Art muss Folgendes beachten: es sollten Konfigurationen bzw. Formen verweden werden, die man nicht erreichen bzw. erlangen kann oder die man durch eine unbestimmte bzw. unbestimmbare Bewegung erlangt, unfähig zur Erzeugung einer korrekten Steuerung; die Konfigurationen bzw. Formen der ersten Art entsprechen oft Kollisionen zwischen den Teilstücken der Arme und die der zweiten Art kinetischen Besonderheiten, die zum Beispiel von den Kopplungen zwischen den Bewegungen der Gelenke stammen. Es ist auch empfehlenswert, die mechanische Komplexität der Struktur zu begrenzen. Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die sogenannten Kraftrückführungsmotoren – notwendig um die Gelenke in dem Zustand zu halten, in den der Operator sie gebracht hat, und um den Bewegungen einen Widerstand entgegenzusetzen, was die Steuerung angenehmer macht –, auf den Sockel montiert sind und nicht auf die beweglichen Arme, da ihr Volumen Kollisionen wahrscheinlicher macht und ihr Gewicht größere Armquerschnitte erfordert. Zudem können die Bewegungen der Zweige die Biegekräfte, die die Motoren aufgrund ihrer Ausladung bzw. Hebelwirkung ausüben, und folglich die Gleichgewichtsbedingungen des Bedienelements verändern.
Es ist klar, dass diese Bedingungen nicht gleichzeitig erfüllt werden können und dass es die ideale Struktur für ein Bedienelement mit sechs Freiheitsgraden und drei parallelen Armen nicht gibt. So gibt es ein Bedienelement dieser Art, dessen sechs den sechs Freiheitsgraden zugeordneten Motoren alle auf den Sockel montiert sind, aber die drei Zweige oder Arme mit dem Sockel durch Doppelgelenke verbunden sind, was – außer einer größeren Realisierungs- und Regelungskomplexität als bei den einfachen Gelenken – Kopplungen der Bewegungen verlangt, die der Effizienz der Kräfteübertragung schadet. Eine bibliographische Quelle ist der Artikel "Kinematic analysis of a novel 6-DOF parallel manipulator" von Cleary und Brooks, IEEE, 1050-4729, 1993, Seiten 708 bis 713.
Bei mehreren anderen Bedienelementen sind bestimmte Teilstücke parallelogramm- oder pantographenartig in zwei Teile geteilt bzw. halbiert. Anstatt die Motoren bei den beiden Gelenken an den Enden dieser Teilstücke anzuordnen, können diese Motoren an zwei unteren Ecken des Parallelogramms oder des Pantographen angeordnet werden, um ihre Ausladung bzw. Hebelwirkung zu reduzieren, aber diese Motoren sind dann alle mobil bzw. werden dann alle bewegt und die Halbierung des Teilstücks ist nicht sehr gut. Ein Beispiel ist das durch Iwata entwickeltet Bedienelement, "Haptic Master" genannt und beschrieben im Internet in der Website von Tsukuba (http://intron.kz.tsukuba.ac.jp/HM/txt.html). Andere werden beschrieben in dem Artikel "A 6-DOF force-reflecting hand controller using the fivebar parallel mechanism" von Woo. Jin und Kwon, Proceedings of the IEEE, International Conference on Robotics & Automation, Louvain, Belgique, Mai 1998, Seiten 1597–1601.
Der beste Stand der Technik ist das Dokument WO 95/04959.
Das erfindungsgemäße Bedienelement ist gekennzeichnet durch die große Einfachheit seiner Struktur in Verbindung mit einer kleinen Anzahl mobiler bzw. bewegter Motoren. Zudem befinden sich die Motoren nicht an ungünstigen Stellen, das heißt, dass ihre Ausladung bzw. Hebelwirkung nicht variiert und eine Kollision mit anderen Teilen des Bedienelements nicht sehr wahrscheinlich ist.
Das erfindungsgemäße Bedienelement umfasst also drei parallele Arme, die einen Sockel mit einem einen Griff (oder irgend einer anderen Handhabungseinrichtung) umfassenden Zentralgelenk verbinden, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Arme durch drei Teilstücke gebildet werden, nämlich ein erstes Teilstück, das mit dem Sockel durch ein erstes Gelenk verbunden ist, das ein Schwenkgelenk des ersten Teilstücks um sich selbst ist, ein zweites Teilstück, das mit dem ersten Teilstück durch ein zweites Gelenk verbunden ist, das ein Drehgelenk zur Veränderung eines Winkels zwischen dem ersten Teilstück und dem zweiten Teilstück ist, und ein drittes Teilstück, das mit dem Zentralgelenk durch ein Kugelgelenk und mit dem zweiten Teilstück durch ein drittes Gelenk verbunden ist und ein Drehgelenk zur Veränderung eines Winkels zwischen dem zweiten Teilstück und dem dritten Teilstück ist, und dadurch, dass die Arme nur zwei Kraftrückführungsmotoren umfassen, von denen ein erster Motor an dem Sockel befestigt ist und Schwenkungen des ersten Teilstücks misst, und ein zweiter Motor sich an dem zweiten Gelenk befindet und Drehungen zwischen dem ersten Teilstück und dem zweiten Teilstück misst.
Die erlangten Vorteile werden weiter unten beschrieben. Vorausgeschickt sei, dass die kinematischen Singularitäten bzw. theoretischen Kollisionsmöglichkeiten stark reduziert werden durch die Tatsache, dass die ersten Teilstücke in divergierenden Richtungen auf den Sockel montiert sind und vorzugsweise mit einer Neigung von ungefähr 40° zur Vertikalen (oder allgemeiner zu einer Normalen zur Oberfläche des Sockels). Der Wert von 40° ist nur ein Näherungswert und keine Empfehlung bezüglich der Neigung, sondern entspricht nur der Feststellung, dass die Singularitäten um diesen Wert herum wesentlich weniger wahrscheinlich sind.
In der Folge wird die Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Die 1 ist eine allgemeine Ansicht der Erfindung, und die 2 und 3 illustrieren eine bevorzugte Realisierungsart sowie das Detail der Kraftrückführungsmotoren und der Gelenke der Teilstücke.
Die 1 zeigt einen Sockel 1 und das Bedienelement mit hauptsächlich drei gleichen Zweigen oder Armen 2, gebildet durch drei gelenkig verbundene Teilstücke zwischen dem Sockel 1 und einem Zentralgelenk 3, an dem ein Griff 4 für den Operator befestigt ist, wobei das Zentralgelenk kann flach sein, wie üblich, oder kugelförmig, wie hier. Jeder der Arme 2 umfasst ein mit dem Sockel 1 gelenkig verbundenes erstes Teilstück 5, ein mit dem Zentralgelenk 3 gelenkig verbundenes drittes Teilstück 7 und ein mit den beiden vorhergehenden Teilstücken gelenkig verbundenes zweites Teilstück 6. Die Arme 2 umfassen auch noch ein erstes Gelenk 8 zwischen dem Sockel 1 und dem ersten Teilstück 5, ein zweites Gelenk 9 zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstück 5 und 6, und ein drittes Gelenk 10 zwischen dem zweiten und dem dritten Teilstück 6 und 7 und ein Kugelgelenk 11 zwischen dem dritten Teilstück 7 und dem Zentralgelenk 3. Das erste Gelenk 8 ist ein Schwenkgelenk, das heißt, dass seine Achse kolinear mit dem ersten Teilstück 5 ist, das also auf dem Sockel 1 um diese Achse schwenken kann. Das zweite und das dritte Gelenk 9 und 10 sind Drehgelenke, die ermöglichen, die Winkel zwischen den durch sie verbundenen Teilstücken, nämlich den Teilstücken 5 und 6 bzw. 6 und 7, zu verändern. Bei dieser Realisierung sind die Achsen dieser Drehgelenke senkrecht zu den Teilstücken, die sie verbinden, und außerdem parallel zueinander. Dies ist bei anderen Realisierungen nicht unbedingt der Fall. Man stellt fest, dass das Zentralgelenk 3 entsprechend den drei üblichen Freiheitsgraden – nämlich der Translation im Raum – sowie der Drehung um drei verschiedene Achsen bewegt werden kann, ohne dass die Arme 2 sich diesen auf sie übertragenen Bewegungen widersetzen. Das Bedienelement hat also sechs Freiheitsgrade.
In den 2 und 3, die aus Gründen der Klarheit das Zentralgelenk 3 nicht zeigen, ist eine etwas andere Realisierung dargestellt, bei der die ersten Teilstücke 5 nicht parallel zueinander und nicht vertikal zu einem ebenen und horizontalen Sockel 1 sind, sondern nach divergierenden Richtungen geneigt sind unter einem Winkel α von 40° in Bezug auf die Normale zum Sockel 1. Diese Anordnung ermöglicht, die dritten Teilstücke 7, die sich bei der vorhergehenden Realisierung nahe beieinander befinden, voneinander zu entfernen und folglich das Kollisionsrisiko zwischen diesen dritten Teilstücken 7 zu reduzieren und auch kinematischen Singularitäten aus dem Nutzarbeitsraum hinaus zu verschieben. Der Socket 1 umfasst dann drei schräge Sockel 12, auf die die ersten Teilstücke 5 mittels eines Wälzlagers 13 montiert sind, welches das erste Gelenk 8 darstellt. Der Fuß der ersten Teilstücke 5 trägt eine Rolle bzw. Riemenscheibe 14, um die herum ein Riemen 15 gespannt ist. Das andere Ende des Riemens 15 ist um die Welle eines Motors 16 herum gespannt, der ebenfalls auf dem Sockel 12 befestigt ist und einen Codierer 17 umfasst, der die Drehbewegungen der Welle misst. Eine Vorrichtung dieser Art bildet eine Kraftrückführungseinrichtung mittels der der Motor 16 das Teilstück 5 dank seines Stillstandwiderstands in dem Zustand ruhig hält, den es erreicht hat. Wenn aber dem ersten Teilstück 5 eine Bewegung aufgezwungen wird, misst sie der Codierer 17 und ermöglicht, das nicht dargestellte Gerät zu steuern, das von dem Bedienelement abhängt. Dieser Motor 16 ist stationär, da am Sockel 12 befestigt, was aus den erwähnten Gründen vorteilhaft ist. Anzumerken ist, dass zur Steuerung des Teils 14 irgend ein anderes adäquates Mittel benutzt werden kann (Zahnräder, Kabel, usw.).
Die Drehgelenke 9 und 10 werden jeweils durch eine Achse 20 gebildet, die gestützt wird durch einen Flansch 21, der an einem der Teilstücke, die das Gelenk verbindet, befestigt ist. Die in dem zweiten Gelenk 9 an dem zweiten Teilstück 6 befestigte Achse 20 ist durch ein Kugellager 22 gelenkig mit dem Flansch 21 verbunden, der an dem ersten Teilstück 5 befestigt ist. Der Flansch 21 trägt einen Motor 23 und die Achse trägt eine Rolle bzw. Riemenscheibe 24. Ein Riemen 25 – oder irgend eine andere Transmissionseinrichtung – ist zwischen der Riemenscheibe 24 und der Welle des Motors 23 gespannt, und ein Codierer 26 misst die Bewegungen des Welle des Motors 23. Es handelt sich um eine der Vorhergehenden ähnliche Kraftrückführungsvorrichtung. Die Drehbewegungen des zweiten Teilstücks 6 in Relation zum ersten Teilstück 5 werden durch den Codierer 26 gemessen und der Motor 23 hält das zweite Teilstück 6 in der Position, die es erreicht hat.
Das dritte Gelenk 10 ist dem zweiten Gelenk 9 ähnlich, aber kleiner, da es keinen Kraftrückführungsmotor umfasst: es ist frei und passiv, ganz wie das Kugelgelenk 11. Der Kraftrückführungsmotor ist also nicht am Sockel befestigt, aber er begleitet nur die Schwenkbewegungen des ersten Teilstücks 5 und bewegt sich folglich wenig, was die Ungleichgewichte und die Kollisionsgefahren reduziert, beinahe so als wäre er am Sockel befestigt. Festzustellen ist, dass die Teilstücke 5, 6 und 7 einfach sind, das heißt, dass sie weder ein Parallelogramm noch einen Pantographen umfassen.

Claims

Bedienelement mit drei parallelen Armen (2), die einen Sockel (1) mit einem eine Handhabungseinrichtung wie etwa einen Griff (4) umfassenden Zentralgelenk (3) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme durch drei Teilstücke (5, 6, 7) gebildet werden, nämlich ein erstes Teilstück (5), das mit dem Sockel durch ein erstes Gelenk (8) verbunden ist, das ein Schwenkgelenk des ersten Teilstücks um sich selbst ist, ein zweites Teilstück (6), das mit dem ersten Teilstück (5) durch ein zweites Gelenk (9) verbunden ist, das ein Drehgelenk zur Veränderung eines Winkels zwischen dem ersten Teilstück und dem zweiten Teilstück ist, und ein drittes Teilstück (7), das mit dem Zentralgelenk (3) durch ein Kugelgelenk (11) und mit dem zweiten Teilstück (6) durch ein drittes Gelenk (10) verbunden ist und ein Drehgelenk zur Veränderung eines Winkels zwischen dem zweiten Teilstück und dem dritten Teilstück ist, und dadurch, dass die Arme nur zwei Kraftrückführungsmotoren (16, 23) umfassen, von denen ein erster Motor (16) an dem Sockel (1, 12) befestigt ist und Schwenkungen des ersten Teilstücks (5) misst, und ein zweiter Motor (23) sich an dem zweiten Gelenk (9) befindet und Drehungen zwischen dem ersten Teilstück und dem zweiten Teilstück misst.
Bedienelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Teilstücke (5) in divergierenden Richtungen auf den Sockel (1, 12) montiert sind.
Bedienelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Teilstücke (5) in Bezug auf eine Normale zum Sockel (1, 12) eine Neigung von ungefähr 40° aufweisen.