DE2656378C3

DE2656378C3 - Manipulator zur Ausführung von Bewegungen, die denen des menschlichen Arms vergleichbar sind

Info

Publication number: DE2656378C3
Application number: DE2656378A
Authority: DE
Inventors: Kanji Kokubunji Tokyo Kato; Kiyoo Tokorozawa Saitama Takeyasu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-12-19
Filing date: 1976-12-13
Publication date: 1981-06-04
Also published as: JPS5275760A; NL7614098A; DE2656378A1; NL165677B; GB1536788A; NL165677C; DE2656378B2; JPS5424185B2; US4095481A

Description

Beschreibung

Ein Manipulator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus der USA-Palentschrift 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 Relativ Drehung zwischen Oberarmglied und tinierarmglied um twei 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 μ Steuerung. Gewöhnlich werden nämlich Positionen im Raum, die von dem Handteil des Manipulators erreicht werden sollen, in sphärischen Koordinaten angegeben.

Ist nun beispielsweise eine Bewegung zwischen zwei Punkten auszuführen, die in gleiche) 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 bekannte α 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 «orhanden ist, das der Ellbogen in einer bestimmten 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 Arfgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs ! angegeben. Die dort genannten Maßnahmen erlauben es, durch ei.ie rein im sphärischen Koordinatensystem arbeitende Steuerung mit dem Handgelenkteil sämtliche von dem Manipulator überhaupt erreichbaren Raumpunkte anzusteuern, wobei es das dritte Gelenk zusäczlich gestattet, die Haltung des Arms zur Vermeidung von Hindernissen zu ändern, i/hne \le 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 Manipulatorsund

F i g. 3 bis 5 schematische Darstellungen von ALsführungsbeispielen für die i.i 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 20, 22 und 24 sowie einen Antrieb 26 und einen Arm 28 auf. Das Gelenk 20 umfaßt eine um die /-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 Vektors ¹S?, der vom Ursprung S wegweist. Der Arm 28 ist an der drehbaren Welle des Gelrnks 24 angebracht und wird vom Antrieb 26 in der Weise angetrieben, daß sich sein dem Handgelenk entsprechendes TeiMV 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 Kandgelenkteils IVausschließlich in einem sphärischen Koordinatensystem (I, Θ', «') ausgedrückt werden, wobei / den Abstand von dem der Schulter entsprechenden Punkt S zum Handgelenkteil W, d. h. ^r> den Abstand (SS'+ S'W) bezeichnet Der Abstand / ist jedoch lediglich eine Funktion eines Antriebswinkels ψ' des Antriebs 26, da die Länge des Vektors SS' stets konstant ist Θ' bezeichnet einen Drehwinkel des Gelenks 22 und λ' ist der Drehwinkel des Gelenks 20. in

Um eine der Größen /, Θ' und α' zu verändern, muH 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 π Handgelenkteils Wnicht da die Punkte S, S'und W auf einer Geraden liegen.

Die F i g. 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 EW bezeichneten 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 IV nach E (W-> E) zum Punkt E' hin verlängert, womit der Gelenkmechanismus ein Parallelogramm S'— E— E'—S"— 5'bildet als dessen benachbarte Seiten der Oberarm 28' und der verlängerte Teil EE'des Unterarms 28" dienen. Die benachbarten Seiten 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 ψ 1 und der Winkel zwischen S'Eund SS' mit φ 2 bezeichnet, so ist der Winkel zwiochen dem Oberarm 28' (WE) und dem Vektor~Sl?ebenfalls gleich ψ 2.

Der Handgelenkteil W kann somit mittels des Anns 28 stets auf der Verlängerungslinie des Vektors ~SS' gehalten werden, wenn die Beziehung ψ1=ψ2 eingehalten wird, indem S'S"und S'Eüber 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

F i g. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, das ohne den vorstehend erläuterten Gelenkmechanismus auskommt

An den Stellen S'und Esind in Fig. 5 Antriebsmotoren 40 und 42 vorgesehen, die so gesteuert werden, daß ψ 1 stets gleich ψ 2 ist, also der Handgelenkteil W sich wiederum entlang der Verlängerungslinie des Vektors SS*bewegt
bewegt

Der hier beschriebene Manipulator '».inn sehr einfach eingestellt werden, da die Elemente /, 3' und &' 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 η 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 is:.

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das OberarmglieJ (28') ein Parallelogranimgestänge umfaßt, dessen beide mit dem Antrieb (26) verbundene Arme derart steuerbar sind, daß sie immer gegenläufig um gleiche Winkel jn verschwenkbar sind (F i g. 3).

3. Manipulu.or nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (26) c'-i Differentialgetriebe (32) aufweist, dessen beide Abtriebswellen (34,36) mit den beiden Armen des Par'"elogrammgestänges 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 ig. 5).