DE60121571T2

DE60121571T2 - Steuerarm mit paralleler struktur

Info

Publication number: DE60121571T2
Application number: DE60121571T
Authority: DE
Inventors: Florian Gosselin; Alain Riwan
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: DE60121571D1; CA2408822A1; FR2809047A1; US20030151379A1; US7086307B2; WO2001087547A1; JP2004520176A; ATE333346T1; FR2809047B1; JP4959088B2; EP1282485A1; EP1282485B1

Description

Der Gegenstand dieser Erfindung ist ein Steuerarm mit zwei parallelen Zweigen. Die Steuerarme haben die Funktion, die durch einen Operator auf sie übertragenen Bewegungen umzusetzen in Instruktionen zur Steuerung einer Vorrichtung oder eines Systems, im Allgemeinen eines "Slave-Arm" genannten beabstandeten bzw. ferngesteuerten Roboters oder einer Informatiksimulation. Wenn der Steuerarm über genügend Freiheitsgrade verfügt, kann der Operator ihn in Translation und Rotation steuern.
Die in der Robotik benutzten Arme haben verschiedene Formen. Bei der traditionellsten handelt es sich um eine Verkettung von Segmenten, die durch Gelenke oder manchmal andere Verbindungselemente miteinander verbunden sind: diese Anordnung nennt man "seriell". Diese Arme weisen jedoch Nachteile auf, wenn die Anzahl der Segmente groß ist. So weisen zum Beispiel die Verbindungselemente-Mechanismen Spiele auf, deren Summe zu einer entsprechenden Ungenauigkeit bezüglich der Position des freien Endes des Arms führt. Zudem sind die Motoren, mit denen man den Arm zur Steuerung der Zustände der Verbindungselemente normalerweise ausrüsten muss, um deren Konfiguration zu modifizieren oder – im Gegenteil – gegen von außen einwirkende Kräfte zu fixieren, oft der schwerste Teil des Arms und verantwortlich für exzessive Biegemomente, so dass die Struktur der Segmente verstärkt werden muss, was dann den Arm und damit auch seine Handhabung noch schwerer macht. Es wurde vorgeschlagen, die Motoren auf dem ortsfesten Sockel anzuordnen, auf den der Arm montiert ist, aber diese Lösung impliziert Transmissionen zwischen den Motoren und den Gelenkelementen, die sie steuern, was den Arm komplex macht und außerdem nicht immer möglich ist.
Deswegen interessiert man sich in der Robotik jetzt immer mehr für Konstruktionen mit zwei oder mehr parallelen Armen, deren ferne Enden verbunden sind. Bei gleichem Freiheitsgrad sind die Zweige derartiger Arme weniger komplex als bei den seriellen Robotern, was die Nachteile der Ungenauigkeit der Position des Arms und des Gewichts der Zweige stark dämpft. Jedoch hat dieser Robotertyp spezifische Nachteile. Er ist aufgrund seiner komplexeren Kinematik schwerer zu steuern; sein Arbeitsbereich ist generell kleiner als bei der Bauweise mit seriellen Armen, den er ist begrenzt durch den der verschiedenen parallelen Zweige und durch die Kollisionen zwischen den Segmenten der verschiedenen Zweige; schließlich besteht ein Mangel bzw. Nachteil, der mit dem vorangehenden zusammenhängt, darin, dass die Singularitäten, bestehend aus Konfigurationen, die man vermeiden sollte, da sie beim Roboter zu unkontrollierten Bewegungen führen könnten, generell zahlreicher sind.
Die Singularitäten entsprechen lokalen Freiheitsgradlücken oder unkontrollierten Bewegungen. Diese letzteren Singularitäten sind bei den Parallelrobotern spezifisch, schränken aber alle den Nutzungsbereich des Arms ein. Dieser Nachteil ist noch ausgeprägter bei den Master-Armen, die nicht vorgesehen sind, sich wiederholende oder im Voraus bekannte Bewegungen auszuführen und die man mit der Hand steuert, ohne sich dabei um die Singularitäten zu kümmern, auf die man dann unvorhergesehen trifft. Daher muss man sie beschränken, während bzw. indem man sie zu den Enden des Arbeitsbereichs verschiebt.
Aus diesen diversen Bemerkungen kann man schließen, dass die Parallelarme als Master-Arme vorteilhaft sind, weil sie einfach zu handhaben sind, dass ihre spezifischen Mängel aber in Wirklichkeit viele von ihnen ungeeignet machen für diese Anwendung. Die Erfindung betrifft eine spezielle Anordnung eines Parallelarms, dessen Hauptvorteile eine deutlichen Reduzierung der Singularitäten und eine große Leichtigkeit der Steuerung sind, so dass man die Bewegung zu Herstellung eines gewünschten Zustands mühelos realisieren kann.
Diese Ziele erreicht man mit einem Steuerarm mit zwei Zweigen, die sich zwischen einem gemeinsamen Befestigungsteil und einem gemeinsamen Gelenkgriff erstrecken, gemäß dem unabhängigen Anspruch. Bei einem solchen Aufbau ermöglichen die Gelenkgriffhalter, für jeden der beiden Arme die Elemente, die zur Steuerung der Translation bestimmt sind, von jenen zu trennen, die zur Steuerung der Rotationsfreiheitsgrade bestimmt sind. Aus dieser Trennung resultiert eine Reduzierung der Singularitäten. Das Dokument des besten Stands der Technik ist vielleicht ein Iwata-Artikel (article d'Iwata) mit dem Titel "Pen-based haptic virtual environment" (IEEE-ICRA 1993, Seiten 287 bis 292), der einen Parallelroboter mit zwei Zweigen beschreibt, die durch einen Gelenkgriff vereinigt sind, aber keinen erfindungskonformen Gelenkgriffhalter umfassen. Dieser Arm weist Singularitäten auf.
Die Zweige haben vorteilhafterweise Segmente, die miteinander, mit dem jeweiligen Gelenkgriffhalter und mit einem Teil des Befestigungsteils bzw. Sockels verbunden sind, wobei dieser Teil des Sockels dann vorteilhafterweise auf einem ortsfesten Teil des Sockels drehbar ist um eine zu den vorhergehenden parallelen Achsen rechtwinklige Achse, was den Zweigen am Gelenkgriffhalter drei Translationsfreiheitsgrade verleiht. Der Gelenkgriff wird dann durch drei gelenkig verbundene Teilstücke gebildet, so dass er drei Freiheitsgrade besitzt.
Die Einrichtungen, die die weiter oben erwähnten Winkel zwischen den Gelenkgriffhaltern und den fixen Ebenen konstant halten, können Transmissionen umfassen, die sich auf den Zweigen erstrecken, noch genauer gebildet durch Riemenscheiben, angeordnet in den aufeinanderfolgenden Gelenkachsen der Segmente der Zweige, und kettenartig zwischen den Riemenscheiben der aufeinanderfolgenden Gelenkachsen gespannten Riemen. Dabei können sich die Riemenscheiben generell frei drehen, ausgenommen die beiden letzten, die jeweils am Gelenkgriffhalter und an einer in Bezug auf den ortsfesten Sockel oder den ersten Körper jedes Zweigs unbeweglichen Struktur befestigt sind.
Die Erfindung wird nun in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben, die jeweils den ganzen Arm und den Gelenkgriff im Detail darstellen.
Der Arm ist auf ein Befestigungsteil bzw. einen Sockel 1 montiert und umfasst zwei Zweige 2 und 3, die auf irgendeine Weise zwischen diesem Sockel 1 und dem sie verbindenden Gelenkgriff 4 angeordnet sind. Vorteilhafterweise können diese beiden Zweige übereinanderliegen. Vorteilhafterweise können sie auch gleich sein. In der dargestellten Referenzkonfiguration, wo der Gelenkgriff rechtwinklig zu ihnen ist, befinden sich die Zweige 2 und 3 in parallelen Ebenen. Jeder der Zweige umfasst ein Armsegment 5, ein Vorderarmsegment 6, ein bewegliches Befestigungsteil 7 zur Verbindung mit dem ortsfesten Sockel 1 und einem Gelenkgriffhalter 8 zur Verbindung mit dem Gelenkgriff 4. Das Befestigungsteil 7 dreht sich um eine Achse X1. Das Armsegment 5 ist am Befestigungsteil 7 und am Vorderarmsegment 6 jeweils durch Gelenkachsen X2 und X3 angelenkt. Vorteilhafterweise sind diese Achsen parallel zueinander und senkrecht zu der Achse X1. Das ferne Ende des Vorderarmsegments 6 ist mit dem Gelenkgriffhalter 8 gelenkig verbunden durch eine Gelenkachse X4, die vorteilhafterweise parallel ist zu den Achsen X2 und X3. Die Gelenkgriffhalter 8 umfassen Extremitäten 9, die drehbar sind um eine Achse X5, die zusammenfällt mit einer Hauptverlängerungsrichtung der Gelenkgriffhalter 8. An den Extremitäten 9 sind Endstücke 10 mittels Achsen X6 angelenkt, die senkrecht sind zu den Achsen X5, und ein Gelenkgriff 11 vereinigt die Endstücke 10 miteinander, wobei sie um eine koaxiale Achse X7 drehbar sind. Vorteilhafterweise ist diese Achse rechtwinklig zu den vorhergehenden Achsenpaaren X5 und X6 einer Referenzkonfiguration. Der Gelenkgriff 11 kann um die Achse X7 geschwenkt werden, ohne dass sich dabei der Abstand zwischen den Achsen X5 oder den Gelenkgriffhaltern 8 verändert, im Gegensatz zu dem Gelenkgriff nach dem Stand der Technik, der eine Schraubenverbindung umfasst, die Singularitäten verursachen kann.
Ein wesentliches Element der Erfindung besteht darin, dass die Gelenkgriffhalter 8 und ihre Achsen X5 einen konstanten Winkel mit fixen Ebenen bilden, hier Ebenen senkrecht zu der Achse X1. Wenn dieser Winkel rechtwinklig ist, bleiben die Gelenkgriffhalter 8 sogar in einer räumlich fixen Ausrichtung. Dies wird durch eine Übertragungseinrichtung bewirkt, die für jeden der Zweige 2 und 3 eine zur Achse X2 koaxiale und an dem Befestigungsteil 7 festgemachte Haltescheibe 12, eine zur Achse X3 koaxiale und in Bezug auf die Segmente 5 und 6 frei drehbare Umlenkscheibe 13, eine zur Achse X4 koaxiale und an dem Gelenkgriffhalter 8 festgemachte Haltescheibe 14 sowie zwei Riemen 15 und 16 umfasst, kettenartig gespannt zwischen jeweils den Scheiben 12 und 13 sowie 13 und 14. Unabhängig von der den Segmenten 5 und 6 mitgeteilten Bewegung hält die Betätigung der Riemen 15 und 16 die Achse X5 in einer Richtung, die der Ebene entspricht, die sie bilden, da die Scheibe 12 feststehend bleibt bzw. die Lage der Scheibe 12 sich nicht verändert.
Die Bewegungen des Gelenkgriffs 11 werden durch Bewegungen der Segmente 5 und 6 und des Befestigungsteils 7 um die Achsen X1, X2 und X3 verursacht. Die Translationsbewegungen erhält man, indem man die Gelenkgriffhalter 8 der beiden Zweige in derselben Richtung verschiebt, und die Rotationsbewegungen – ausgenommen die Rotation um die Achse des Gelenkgriffs herum – indem man sie in entgegengesetzten Richtungen verschiebt. Daraus resultiert, dass man fünf Freiheitsgrade steuern kann, indem man mit Motoren auf die Position der beiden Gelenkgriffhalter 8 einwirkt, die auf dem Sockel oder in Sockelnähe angeordnet sind. Die voneinander beabstandeten Zweige 2 und 3 können nur bei extremen Neigungen des Gelenkgriffs miteinander kollidieren. Außerdem können Bewegungssingularitäten nur bei extremen Kipppositionen der Gelenkgriffs 4 auftreten.
Nun wird die Betätigungsweise des Arms beschrieben. Man verwendet Motoren, um dem Operator Kräfte mitzuteilen, die auf den Slave-Arm ausgeübt oder durch eine Informatiksimulation erzeugt werden. Solche Motoren 17 befinden sich auf dem ortsfesten Sockel 1 und helfen, mit Hilfe einer Verzahnung, eines Riemens oder einer anderen Übertragungseinrichtung die Befestigungsteile 7 um die Achse X1 herum zu kippen. Außerdem helfen Motoren 18, Armsegmente 5 in Bezug auf das Befestigungsteil 7 um die Achse X2 zu drehen. Außerdem sind Motoren 19 in den Achsen X2 angeordnet, und dienen dazu, die Winkel der Arm- und Vorderarmsegmente 5 und 6 mit den Achsen X3 zu regeln bzw. einzustellen mit Hilfe einer Scheibe 20, verbunden mit ihrer Ausgangswelle, einer Scheibe 21, verbunden mit dem Vorderarmsegment 6, und einem zwischen diesen Scheiben gespannten Riemen 22. Die Scheiben 20 und 21 sowie der Riemen 22 können durch irgend eine andere geeignete Einrichtung ersetzt werden, zum Beispiel durch eine Lenkstange, was einer dem Fachmann gut bekannten Montage des Typs Parallelogramm entspricht. Es ist überhaupt nicht notwendig, einen Motor in den Achsen X4 vorzusehen, die auf andere Weise gesteuert werden, ebenso wenig wie in den Achsen X5 und X6, da die Rotationen um diese Achsen nur durch Bewegungen an den Enden der Vorderarmsegmente 6 verursacht werden; aber ein für den Gelenkgriff 11 bestimmter Motor kann so hinzugefügt werden, um einen Rotationsfreiheitsgrad um die Achse X7 herum zu steuern. Vorteilhafterweise kann der Motor 25 fest mit einer Griffhülle 23 des Gelenkgriffs 11 verbunden sein, die drehfrei durch ein Lager 24 mit einem der Endstücke 10 verbunden ist, während die Ausgangswelle des Motors 25 mit dem entgegengesetzten Endstück 10 verbunden ist. Er kann auch auf ein bewegliches Befestigungsteil 7 montiert sein, was jedoch eine Vorrichtung zur Übertragung der Kräfte des Motors 25 auf den Gelenkgriff erfordert.
Sensoren wie Winkelcodierer sind den verschiedenen Motoren zugeordnet, um deren Bewegungen zu messen und den Zustand des Arms und die auferlegten Befehle anzugeben. Da diese Techniken bekannt sind, wird in diesem Text nicht näher darauf eingegangen. Wenn ein Freiheitsgrad überflüssig ist, kann man vorteilhafterweise auf die Kippbetätigung des Gelenkgriffs 11 verzichten, deren genaue und bequeme Erzeugung am schwierigsten zu realisieren ist. Die anderen Motoren werden auf jeden Fall durch den ortsfesten Sockel 1 oder durch das durch diesen direkt gestützte Befestigungsteil 7 getragen, so dass sie nicht die Segmente 5 und 6 belasten, die folglich ziemlich leicht sein können.
Die Motoren 18 und 19, die die Arme 5 und die Vorderarme 6 steuern und sind längs der Achse X2 angeordnet sind, können in Bezug auf diese Achse versetzt sein, falls ein Reduktionsgetriebe eingebaut werden soll. Sie können auch auf den ortsfesten Sockel 1 montiert werden, sofern eine in diesem Dokument nicht beschriebene adäquate Transmissionseinrichtung bis zur Achse X2 eingefügt wird.
Das Terminalorgan des Arms ist nicht notwendigerweise ein Gelenkgriff, sondern kann ein Stylo, eine Kugel, eine Zange usw. sein, entsprechend den vorgesehenen Anwendungen, unter denen man die Spiele, die Simulationsvorrichtungen, die Telemanipulation, die Teleoperation oder Fernverschiebung in diversen Industrien nennen kann.

Claims

Steuerarm mit zwei Zweigen (2, 3), die sich zwischen einem gemeinsamen Befestigungsteil (1) und einem gemeinsamen Gelenkgriff (4) erstrecken, wobei die Zweige (2, 3) durch fixe Achsen (X1) an dem gemeinsamen Befestigungsteil (1) angelenkt sind, dadurch gekennzeichnet, dass er zwischen dem Gelenkgriff (4) und den Zweigen (2, 3) angeordnete Gelenkgriffhalter umfasst, dass die Arme (2, 3) an den Gelenkgriffhaltern (8) durch Achsen (X4) angelenkt sind, dass die Gelenkgriffhalter an dem Gelenkgriff (4) durch Achsen (X5) angelenkt sind, und dadurch, dass er Einrichtungen umfasst, um Winkel konstant zu halten, die gebildet werden durch die Achsen (X5) der Gelenkgriffhalter und fixe Ebenen, die senkrecht sind zu den fixen Achsen (X1).
Steuerarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Einrichtungen über die Zweige verteilte Übertragungseinrichtungen (12 bis 16) umfassen.
Steuerarm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtungen in den sukzessiven Gelenkachsen (X2, X3, X4) der Segmente (5, 6) der Zweige angeordnete Riemenscheiben (12, 13, 14) und Riemen umfassen, die kettenförmig über sukzessive Gelenkachsenpaare gespannt sind.
Steuerarm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweige so beweglich sind, dass sie an den Gelenkgriffhaltern drei Translationsfreiheitsgrade besitzen, und der Gelenkgriff (4) durch gelenkig verbundene Teilstücke (9, 10, 11) so gebildet wird, dass er zwei oder drei Rotationsfreiheitsgrade besitzt.
Steuerarm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstücke des Gelenkgriffs (4) um Achsen (X5, X6, X7) herum gelenkig sind, die zueinander und zu einer Referenzkonfiguration rechtwinklig sind.
Steuerarm nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Teilstücke (11) des Gelenkgriffs schwenkbar ist ohne einen Abstand zwischen den Gelenkgriffhaltern (8) zu verändern.
Steuerarm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er zudem einen Retourkraftmotor (25) im Gelenkgriff umfasst.
Steuerarm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er zudem einen in einen Teil des Befestigungsteils (7) montierten Retourkraftmotor und eine Übertragungsvorrichtung dieser Kraft bis zum Gelenkgriff umfasst.
Steuerarm nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweige jeweils zwei Segmente (5, 6) umfassen, die durch drei parallele Achsen (X2, X3, X4) gelenkig miteinander, mit dem Gelenkgriffhalter (8) und mit einem Teil des Befestigungsteils (7) verbunden sind.
Steuerarm nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (5, 6) durch den Befestigungsteil (7) getragene Retourkraftmotoren (18, 19) umfassen, und dadurch, dass die Befestigungsteile (7) durch die fixe Basis (1) getragene Retourkraftmotoren (17) umfassen.
Steuerarm nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Teil des Befestigungsteils an einem festen Teil der Basis (1) um eine zu den drei genannten parallelen Achsen rechtwinklige Achse (X1) herum drehbar ist.
Steuerarm nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweige in Ebenen verformbar sind.
Steuerarm nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen in einer Referenzkonfigurationen parallel sind.
Steuerarm nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweige gleich sind.