DE4230352C2 - Fingermodul einer Roboterhand - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fingermodul einer Roboterhand mit mindestens drei gelenkig miteinander verbundenen Fingersegmenten.

Eine derartige Roboterhand ist beispielsweise in der gattungsbildenden Druckschrift "Robotersysteme 3 (1987) S. 167 bis 174" offenbart.

Bei dieser bekannten Roboterhand werden die einzelnen Fingersegmente jeweils von einer unabhängigen Antriebsquelle angetrieben. Ferner weist die Roboterhand einen Gelenkbausatz auf, der an einer Basisbaugruppe der Roboterhand befestigt ist und ein erstes Fingersegment hat. Das Segment ist dabei gegenüber der Basis schwenkbar gelagert. An das erste Fingersegment sind weitere Fingersegmente in Form von Gelenkmodulen seriell angelenkt.

Die Antriebsquellen werden jeweils von einem Antriebsmodul bestehend aus Motor und Untersetzungsgetriebe gebildet, die sämtlich an dem Gelenkbausatz angeordnet sind. Die Antriebsmodule sind dabei teilweise direkt und teilweise über Zahnriemen mit den Fingermodulen wirkverbunden.

Es hat sich nunmehr gezeigt, daß insbesondere der Zahnriemenantrieb, der bei der bekannten Roboterhand aus Platzgründen notwendig ist, nachteilig hinsichtlich der Genauigkeit bei der Endlagejustierung der derart angetriebenen Fingersegmente ist. Werden beispielsweise schwerere Gegenstände mittels der Fingerelemente ergriffen oder bewegt, führt die Elastizität des Zahnriemens zu einer Längung desselben, so daß die tatsächliche Position oder Stellung des Fingersegments nicht exakt bestimmt werden kann.

Ferner erfolgt die Anlenkung des ersten Fingersegments an der Basis mittels eines Schwenkzapfens, der eine Verschwenkung des Fingersegments in einer Ebene senkrecht zu den Schwenkebenen der nachfolgenden Fingersegmente erlaubt. Das bedeutet, daß je nach Größe oder Länge des ersten Fingersegments bei bereits geringen Schwenkwinkeln große Wegstrecken an der Spitze der Fingersegmentkette zurückgelegt werden, wodurch die Justierbarkeit der Roboterhand weiter verschlechtert wird.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fingermodul der gattungsbildenden Art zu schaffen, bei dem die Positionierbarkeit und damit die Einsatzmöglichkeiten verbessert sind.

Diese Aufgabe wird durch das Fingermodul mit den Merkmalen gemäß dem anliegenden Patentanspruch 1 gelöst.

Demgemäß hat das Fingermodul einer Roboterhand mindestens drei gelenkig miteinander verbundene Fingersegmente, welche jeweils von einer Antriebsquelle antreibbar sind,

• - einen Gelenkbausatz, der an der Basisbaugruppe der Roboterhand befestigt ist und ein er­ stes Fingersegment aufweist, das schwenkbar gegenüber der Basis gelagert ist, wobei die Schwenk­ achse sich in Richtung der Längsachse des ersten Finger­ segments erstreckt,
• - weitere Fingersegmente, die als Gelenkmodule ausgebildet sind,
• - Antriebsmodule für sämtliche Fin­ gersegmente, wobei die Antriebsmodule an dem Gelenk­ bausatz angeordnet sind, und
• - Zahnradgetriebe zwischen den Gelenkmodulen an den zugehörigen Antriebsmodulen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 2 ist es vorgesehen, daß die Antriebsmodule für sämtliche Fingersegmente an dem ersten Fingersegment angeordnet sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Drehung des ersten Antriebsmotors durch einen ersten Reduktionsmechanismus unter­ setzt, um den ersten Gelenkbausatz um die erste Verbindungs­ welle herum durch die ersten Abtriebselemente zu drehen.

Die Drehung des zweiten Antriebsmotors wird durch einen zwei­ ten Reduktionsmechanismus untersetzt und auf die getriebe­ nen Elemente des zweiten Gelenkbausatzes durch die zweiten Abtriebselemente übertragen, um den zweiten Gelenkbausatz um die zweite Verbindungswelle herum zu drehen. Die Drehung des dritten Antriebsmotors wird durch einen dritten Reduk­ tionsmechanismus untersetzt und auf die dritten getriebenen Elemente des dritten Gelenkbausatzes durch die dritten Ab­ triebselemente übertragen, so daß der dritte Gelenkbausatz um die dritte Verbindungswelle herum gedreht wird. Durch die oben beschriebenen Vorgänge drehen in dem erfindungsgemäßen Fingermodul der erste, zweite und dritte Gelenkbausatz um die jeweils zugeordneten Verbindungswellen lediglich mit einem vorbestimmten Winkel. Die vorliegende Erfindung bringt einen umfassenden Effekt hervor, daß eine Gelenkver­ bindung mit mehrfachen Freiheitsgraden durch irgendwelche willkürliche Kombinationen der drei Arten von funktionel­ len Moduleinheiten verwirklicht werden kann.

Da in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Finger­ modulkonstruktion der Gelenkbausatz an der Basisbau­ gruppe angebracht ist, die erste, zweite sowie dritte An­ triebsquelle für sich innerhalb des ersten Gelenkbausat­ zes angeordnet sind und das zweite sowie dritte Fingersegment getrennt voneinander vorgesehen sind, um auf diese Weise sowohl die Abtriebselemente einer jeden Antriebsein­ richtung als auch die getriebenen Elemente eines jeden Ge­ lenkgliedes als den Getriebemechanismus herzurichten, bie­ tet die Erfindung einen mehr speziellen Effekt, daß die Mon­ tage und Demontage eines jeden Moduls unabhängig ausgeführt und deshalb ohne Schwierigkeiten sowie innerhalb einer kur­ zen Zeitspanne bewerkstelligt werden können.

Da die Roboterhand in einer Ausführungsform wenigstens eine dreigelenkige zweifingrige Roboterhand ist, werden noch eini­ ge andere Wirkungen erzielt, daß nämlich diese Erfindung eine dreifingrige Gelenkkonstruktion ermöglicht, ein stabi­ les Ergreifen gewährleistet, jegliche Finger-/Gelenkanord­ nungen möglich macht, darüber hinaus eine Änderung in der Lage und Stellung eines ergriffenen Objekts zuläßt, und die Anpassungsfähigkeit an Umgebungsverhältnisse aufgrund der ihr eigenen Flexiblität erhöht.

Da in vorteilhafter Weise Fühler, die für die Fingersteuerung notwendig sind, an jeder Antriebsquelle angeordnet sind und die Steuerung von jeweils jedem Freiheitsgrad durch Ableiten des von jedem Fühler ermittel­ ten Ausgangssignals unmittelbar von jeder Antriebsquelle möglich ist sowie keine Notwendigkeit besteht, einen Fühler innerhalb des Gelenkbausatzes vorzusehen, um das resultie­ rende Signal herauszuführen, gibt es keine störende Beeinflus­ sung zwischen dem Objekt sowie dem Fühler und geht kein Sig­ nalkabel durch den Gelenkbausatz hindurch. Deshalb wird im Endeffekt bei dem Erfindungsgegenstand als Resultat eine ho­ he Zuverlässigkeit erreicht.

Die Aufgabe, die genannten und weitere Ziele sowie die Merk­ male und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevor­ zugten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der äußeren Ausge­ staltung einer Roboterhand in einer ersten bevorzug­ ten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Längsschnitt eines Fingermoduls gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 3 die Schnittdarstellung nach der Linie I-I in der Fig. 2 durch den Fingermodul der ersten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 4 eine Darstellung der Anordnung eines jeden Finger­ moduls einer Roboterhand gemäß einer zweiten be­ vorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 einen teilweisen Längsschnitt einer ersten Antriebs­ baueinheit eines Fingermoduls nach der zweiten bevor­ zugten Ausführungsform;

Fig. 6 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Fingermodul der zweiten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 7 eine teilweise aufgebrochene bzw. geschnittene Dar­ stellung zur äußeren Ausgestaltung eines Fingermoduls in einer dritten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 8 einen Längsschnitt des Fingermoduls gemäß der drit­ ten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 9 eine Darstellung einer weiteren Anordnung von Finger­ moduln an einer Basisbaugruppe.

Erste Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 wird eine Roboterhand gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Er­ findung beschrieben.

Die Roboterhand gemäß der ersten Ausführungsform umfaßt eine Kombination von drei einzelnen Fingermoduln, von denen in Fig. 1 nur zwei gezeigt sind, die an einer Basisbaugruppe mit einem Abstand von 120° angebracht sind und wobei jeder Fingermodul drei Gelenke besitzt.

Der in den Fig. 1-3 gezeigte Fingermodul umfaßt einen Gelenkbausatz 2, eine erste Antriebseinheit 3, eine zweite Antriebseinheit 4, eine dritte Antriebsein­ heit 5, ein zweites Fingersegment 6 und ein drittes Fingersegment 7.

Das erste Fingersegment des Gelenkbausatzes 2 dreht um eine erste Verbindungs­ welle 1S, die durch ein an der Basisbaugruppe 1 festes Bau­ teil drehbar gelagert ist. Die erste Antriebseinheit 3 enthält einen ersten Antriebsmotor 31, der am ersten Gelenk­ bausatz 2 befestigt ist, um die erste Verbindungswelle 1S anzutreiben und zu drehen, einen ersten Untersetzungsmecha­ nismus 34, um die Drehung des ersten Antriebsmotors durch einen harmonischen Antrieb-Untersetzungsmechanismus herabzu­ setzen (harmonischer Antrieb ist eine Handelsproduktbezeich­ nung), und ein mit dem ersten Gelenkbausatz 2 verbundenes erstes Abtriebselement 34B, um den Ausgang der untersetzten Drehung zu liefern.

Die zweite Antriebseinheit 4 umfaßt einen zweiten Antriebs­ motor 41, der rechtwinklig zur ersten Verbindungswelle 1S am Gelenkbausatz 2 befestigt ist, einen zweiten Un­ tersetzungsmechanismus 43, um durch einen harmonischen Antrieb die Drehung des zweiten Antriebsmotors 41 zu untersetzen, und ein zweites Abtriebselement 45 eines Zahnradgetriebes, um die untersetzte Drehung abzugeben.

Die dritte Antriebseinheit 5 enthält einen dritten An­ triebsmotor 51, der parallel zum zweiten Antriebsmotor 41 am Gelenkbausatz 2 angebracht ist, einen dritten Untersetzungsmechanismus 53, um durch einen harmonischen An­ trieb-Untersetzungsmechanismus die Drehung des dritten An­ triebsmotors 51 zu untersetzen, und ein drittes Abtriebsele­ ment 55 eines Zahnradgetriebes, um den Ausgang der untersetz­ ten Drehung abzugeben.

Das zweite Fingersegment 6 enthält ein zweites Gelenkglied 63, das um eine zweite Verbindungswelle 2S, die zur ersten Verbindungswelle 1S rechtwinklig ist, durch ein zweites ge­ triebenes Element 61 angetrieben und gedreht wird, wobei das getriebene Element 61 ein Zahnradgetriebe einschließt, das mit dem Zahnradgetriebe des zweiten Abtriebselements 45 der zweiten Antriebseinheit 4 kämmt. Das dritte Fingersegment 7 ist mit einem Haltewerkzeug 76 ausgestattet, das mit Be­ zug zum zweiten Fingersegment 6 angetrieben und um eine drit­ te Verbindungswelle 35, die zur zweiten Verbindungswelle 2S parallel ist, durch ein drittes getriebenes Element 71 ge­ dreht wird, welches ein Zahnradgetriebe umfaßt, das mit dem Zahnradgetriebe des dritten Abtriebselements 55 der dritten Antriebseinheit in Eingriff ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält die Basisbaugruppe 1 ein zylindrisches Basisteil 10 mit Flanschen 11 sowie 12 an bei­ den Enden, einen Montagekopf 13 von dreieckiger Kegelstumpf­ form, der unter dem unteren Flansch 12 des Basisteils 10 aus­ gebildet ist, und ein Kranzstück 21 (Fig. 3), das am Montage­ kopf 13 befestigt sowie in den Gelenkbausatz 2 einge­ setzt ist. Jeder Fingermodul ist an einer der drei Flächen, die unter einem Winkel von annähernd 20° mit Bezug zur Senk­ rechten des Montagekopfes 13 geneigt sind, befestigt.

Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, ist der Gelenkbausatz 2 eine Konstruktion von einer im großen und ganzen V-Gestalt, und er enthält einen abgestuft zusammengesetzten Ringkörper 22, der am Kranzstück 21 gehalten und in einer axialen Richtung in drei Teile geteilt ist, nämlich die Ringglie­ der 22A, 22B sowie 22C. Darüber hinaus enthält der Gelenkbausatz 2 die erste Verbindungswelle 2S, die durch ein Lager 1B am linken Ende des Ringkörpers 22 drehbar gelagert ist, äußere Gehäuseteile 24A und 24B aus in axialer Rich­ tung geteilten hohlzylindrischen Körpern mit einem Boden, die durch zwei an der Außenwand des Ringkörpers 22 vorgese­ hene Lager 23A und 23B relativ zueinander drehbar sind, äußere Gehäuse 40A, 40B, 50A und 50B, ein Innengehäuse 60 und linke sowie rechte Abdeckungen 65 bzw. 64, worauf noch eingegangen werden wird.

Gemäß der Fig. 3 umfaßt die erste Antriebseinheit 3 den ersten Antriebsmotor 31, ein zweites Kegelrad 33 und einen als harmonischer Antrieb ausgebildeten ersten Untersetzungs­ mechanismus 34. Der erste Antriebsmotor 31 wird von einem Elektromotor gebildet, der in rechtwinkliger Lagebeziehung an der Außenwand des oberen Teils des äußeren Gehäuseteils 24B an der Außenseite des Gelenkbausatzes 2 fest an­ gebracht ist. Das zweite Kegelrad 33 ist am rechten Ende der ersten Verbindungswelle 1S befestigt, und diesem wird ein Drehmoment durch einen Kämmeingriff mit einem ersten Kegelrad 32 von kleinem Durchmesser, das am freien Ende der Drehwel­ le des ersten Antriebsmotors 31 ausgebildet ist, vermittelt, wobei die Motorwelle das äußere Gehäuseteil 24B durchsetzt. Der harmonische Antrieb-Untersetzungsmechanismus 34 be­ steht aus einem im Querschnitt elliptischen Wellenerzeuger 34A, der an der ersten Verbindungswelle 1S durch ein im Querschnitt T-förmiges Bauteil gehalten ist, einer flexib­ len Schiebekeilhülse 34B und einer kreisförmigen Schiebe­ keilhülse 34C. Die flexible Schiebekeilhülse 34B ist ein hohlzylindrisches Bauteil, dessen Boden am äußeren Gehäuse­ teil 24B befestigt ist, um die erste Verbindungswelle 1S, die von einem Lager 2B drehbar gelagert ist, zu drehen, und sie steht mit dem Wellenerzeuger 34A in Verbindung. Die kreisförmige Schiebekeilhülse 34C ist an der Innen­ wand des Ringglieds 22B des ersten Gelenkbausatzes 2 aus­ gebildet und steht mit der flexiblen Schiebekeilhülse 34B in Eingriff. Da die kreisförmige Schiebekeilhülse 34C fest ist, wird das Ausgangsdrehmoment des Wellenerzeugers 34A auf die äußeren Gehäuseteile 24A und 24B, die die Abtriebs­ elemente bilden, durch die flexible Keilhülse 34B übertragen, und durch die resultierende Reaktion drehen die flexible Schiebekeilhülse 34B sowie die äußeren Gehäuseteile 24A und 24B relativ zur kreisförmigen Schiebekeilhülse 34C.

Die erste Antriebseinheit 3 ermöglicht eine Ermittlung eines jeglichen Drehmoments, indem eine Mehrzahl von Deh­ nungsmeßstreifen 35 nahe dem festen Ende der Außenwand der flexiblen Schiebekeilhülse 34B vorgesehen werden, und sie ermöglicht auch eine Ermittlung irgendeines Drehwinkels der Abtriebswelle, indem ein Drehwinkelfühler 36, der von einem optischen Distanzmesser gebildet wird, am oberen Ende des Antriebsmotors 31 angebracht wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, enthält die zweite Antriebsein­ heit 4 den zweiten Antriebsmotor 41 und einen harmonischen Antrieb-Untersetzungsmechanismus 43. Der zweite Antriebsmo­ tor 41 wird von einem Elektromotor gebildet, der in recht­ winkliger Lagebeziehung zur ersten Verbindungswelle 1S am äußeren Gehäuse 40A (auf der linken Seite in der Zeichnung) der in axialer Richtung geteilten äußeren Gehäuse 40A und 40B angeordnet ist, welche am oberen Teil des rechten äuße­ ren Gehäuses 50B befestigt sind, das seinerseits am äußeren Gehäuseteil 24B des Gelenkbausatzes 2 fest angebracht ist. Der harmonische Antrieb-Untersetzungsmechanismus 43 wird von einem im Querschnitt elliptischen Wellenerzeuger 43A, der an der Drehwelle 42 des zweiten Antriebsmotors 41 fest ist, einer flexiblen Schiebekeilhülse 43B und einer kreisförmigen Schiebekeilhülse 43C gebildet. Die flexible Schiebekeilhülse 43B ist ein dünnes, hohlzylindrisches Bau­ teil, das am Boden des äußeren Gehäuses 40B (im rechten Teil der Zeichnung) festgehalten sowie mit dem Wellenerzeuger 43A in Anlage ist; die kreisförmige Schiebekeilhülse 43C ist an der Innenwand eines Ringglieds 44A (im linken Teil der Zeich­ nung) von zwei in axialer Richtung geteilten Ringgliedern 44A sowie 44B ausgebildet, wobei die Ringglieder durch linke und rechte Lager an den äußeren Gehäusen 40A und 40B drehbar ge­ halten sind; die kreisförmige Schiebekeilhülse 43C ist mit der flexiblen Schiebekeilhülse 43B in Eingriff. Da die fle­ xible Schiebekeilhülse 43B am äußeren Gehäuse 40B fest ist, wird ein einstückig mit der kreisförmigen Schiebekeilhülse 43C ausgebildetes Außenzahnrad 45 als Abtriebselement aus­ gebildet.

Die zweite Antriebseinheit 4 macht es möglich, jegliches Drehmoment zu ermitteln, indem eine Mehrzahl von Dehnungs­ meßstreifen 46 an einem nahe dem befestigten Ende befindli­ chen Teil der Außenwand der flexiblen Schiebekeilhülse 43B vorgesehen wird, und sie ermöglicht auch die Ermittlung ir­ gendeines Ausgangsdrehwinkels, indem ein Drehwinkelfühler 47 am äußeren Gehäuse 40B (am rechten Ende in der Zeichnung) angebracht wird.

Gemäß der Fig. 2 umfaßt die dritte Antriebseinheit 5 den dritten Antriebsmotor 51, einen harmonischen Antrieb-Unter­ setzungsmechanismus 53 und ein drittes Abtriebselement 55 in Gestalt eines Zahnrades. Der dritte Antriebsmotor 51 wird von einem Elektromotor gebildet, der parallel zum zweiten Antriebsmotor am rechten äußeren Gehäuse 50B gehalten ist, welches einstückig mit dem äußeren Gehäuseteil 24B des Gelenkbausatzes 2 verbunden ist. Der harmonische An­ trieb-Untersetzungsmechanismus 53 umfaßt einen im Querschnitt elliptischen Wellenerzeuger 53A, der an einer Drehwelle 52 des dritten Antriebsmotors 51 fest ist, eine flexible Schiebekeilhülse 53B und eine kreisförmige Schiebekeilhülse 53C. Die flexible Schiebekeilhülse 53B ist ein dünner Zy­ linder, der am Boden des hohlzylindrischen linken äußeren Gehäuses 50A festgehalten ist, welches am rechten äußeren Gehäuse 50B befestigt ist, und sie wird mit dem Wellenerzeu­ ger 53A in Anlage gebracht. Die kreisförmige Schiebekeilhül­ se 53C ist an der Innenwand eines rechten Ringglieds 54B aus in axialer Richtung geteilten Ringgliedern 54A und 54B ausge­ bildet, wobei die Ringglieder jeweils durch Lager an dem linken bzw. rechten äußeren Gehäuse 50A und 50B drehbar ge­ lagert sind. Die kreisförmige Schiebekeilhülse 53C ist mit der flexiblen Schiebekeilhülse 53B in Eingriff. Das dritte Abtriebselement 55 ist ein Zahnrad, das durch Ausarbeiten von Zähnen am Außenumfang des linken Ringglieds 54A, das mit dem rechten Ringglied 54B einstückig verbunden ist, ausge­ bildet ist.

Die dritte Antriebseinheit 5 ermöglicht ein Ermitteln irgendeines Drehmoments, indem mehrere Dehnungsmeßstreifen 56 an der Außenwand der flexiblen Schiebekeilhülse 53B nahe ihrer Befestigung am linken äußeren Gehäuse 50A vorgesehen werden, und sie ermöglicht auch eine Ermittlung des Drehwin­ kels der Drehwelle des Antriebsmotors 51, indem ein Drehwin­ kelfühler 57 an der linken Bodenwand des äußeren Gehäuses 50A angebracht wird.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, enthält das zweite Fingersegment 6 zweite getriebene Elemente 61 und 62 sowie ein zweites Gelenkglied 63 von, im wesentlichen, V-förmiger Gestalt. Die zweiten getriebenen Elemente 61 und 62 werden von einem ersten Eingangsrad 61 sowie einem zweiten Eingangsrad 62 ge­ bildet; das erste Eingangsrad 61 ist am Umfang eines La­ gers vorgesehen, das in ringförmiger Gestalt am rechten äußeren Gehäuse 50B, an welchem der dritte Antriebsmotor 51 fest ist, angebracht ist, und kämmt mit einem Zahnrad 45, wel­ ches das Abtriebselement der zweiten Antriebseinheit 4 ist. Das zweite Eingangsrad 62 wird von einem halbkreisförmi­ gen Zahnsektor gebildet, der (im rechten Teil der Zeichnung) an der zweiten Verbindungswelle 2S ausgestaltet ist, welche in einem im vertikalen Querschnitt U-förmigen Innengehäuse 60 gelenkig gelagert ist. Das Innengehäuse 60 ist am rechten äußeren Gehäuse 50B der dritten Antriebseinheit 5, wel­ che am Gelenkbausatz 2 fest angebracht ist, befestigt. Der Zahnsektor 62 kämmt mit dem ersten Eingangsrad 61 . Das zweite Gelenkglied 63 ist einteilig mit dem zweiten Eingangs­ rad 62 verbunden und durch jeweils ein Lager am Innengehäuse 60 sowie der zweiten Verbindungswelle 2S drehbar gehalten. Eine am Innengehäuse 60 sowie am rechten äußeren Gehäuse 50B gehaltene rechte Abdeckung 64 und eine am Innengehäuse 60 sowie am linken äußeren Gehäuse 50A gehaltene Abdeckung schließen die beiden Seiten des Gehäuses 60 ab und bilden ein Bauteil für das zweite Fingersegment 6.

Gemäß den Fig. 2 und 3 umfaßt das dritte Fingersegment 7 ein Eingangsrad 71, ein erstes Zwischenzahnrad 72, ein zweites Zwischenzahnrad 73, ein drittes Zwischenzahnrad 74, ein er­ stes Gelenkglied 75 mit im Querschnitt H-förmiger Gestalt und ein zweites Gelenkglied 76. Das erste Eingangsrad 71 ist innerhalb der linken Abdeckung 65 des zweiten Fingersegment 6 an der zweiten Verbindungswelle 2S angebracht und kämmt mit dem Zahnrad 55, das das dritte Abtriebselement der dritten Antriebsbaueinheit 5 bildet. Das erste Zwi­ schenzahnrad 72 ist innerhalb des Innengehäuses 60 des zwei­ ten Fingersegments 6 vorgesehen und dreht zusammen mit dem Eingangsrad 71, das auf der zweiten Verbindungswelle 2S fest ist. Das zweite Zwischenzahnrad 73 ist am zweiten Gelenkglied 73 durch ein Lager drehbar gehalten und kämmt mit dem ersten Zwischenzahnrad 72. Das dritte Zwischenzahn­ rad 74 ist am zweiten Gelenkglied 63 durch ein Lager dreh­ bar gehalten, es ist mit der dritten Verbindungswelle 3S einstückig ausgebildet und kämmt mit dem zweiten Zwischen­ zahnrad 73. Das erste Gelenkglied 75 ist einstückig am (in der Zeichnung rechten) Ende der dritten Verbindungswelle 3S befestigt. Das zweite Gelenkglied 76 bildet ein Haltewerk­ zeug von im vertikalen Querschnitt etwa Y-förmiger Gestalt, und ist durch Senkkopfschrauben von beiden Seiten her am unteren Ende des ersten Gelenkglieds 75 festgehalten.

Die Gesamtfunktion der Roboterhand mit der oben beschrie­ benen Konstruktion gemäß der ersten bevorzugten Ausführungs­ form wird im folgenden erläutert.

Die Drehung der ersten Antriebseinheit 3 wird durch den harmonischen Antrieb-Untersetzungsmechanismus 34, der die Drehung des ersten Antriebsmotors 31 reduziert, untersetzt, und die äußeren Gehäuseteile 24A sowie 24B, die den Gelenkbausatz 2 bilden, werden mit einer verringerten Dreh­ zahl mit Bezug zur Basisbaugruppe 1 gedreht.

Die Drehung des zweiten Antriebsmotors 41, der am rechten äußeren Gehäuse 50B, das einen Teil des Gelenkbau­ satzes 2 bildet, der relativ zur Basisbaugruppe 1 dreht, be­ festigt ist, wird durch den harmonischen Antrieb-Unterset­ zungsmechanismus 43 reduziert, um das ringförmige Außenzahn­ rad 45, das mit der kreisförmigen Schiebekeilhülse 43C ein­ stückig ist, zu drehen. Diese Drehung wird vom ersten Ein­ gangsrad 61, das den dritten Antriebsmotor 51 umgibt, auf das sektorförmige zweite Eingangsrad 62, das mit dem zwei­ ten Gelenkglied 63 einstückig ist, übertragen, und deshalb dreht die zweite Antriebseinheit 4 das das zweite Fingersegment 6 bildende zweite Gelenkglied 63 in Überein­ stimmung mit jedem dem zweiten Antriebsmotor 41 eingegebenen Befehl.

Die Drehung des dritten Antriebsmotors 51, der am rechten äußeren Gehäuse 50B fest ist, welches ein Teil des Gelenkbausatzes 2 ist, wird durch den harmonischen Antrieb- Untersetzungsmechanismus 53 reduziert, um das mit der kreisförmigen Schiebekeilhülse 53C einstückige Zahnrad 55 zu drehen, und die dritte Antriebseinheit 5 dreht das erste sowie zweite Gelenkglied 75 bzw. 76, die Teil des drit­ ten Fingersegments 7 sind, durch das an der zweiten Verbin­ dungswelle 2S ausgebildete Eingangsrad 71 und das erste, zwei­ te sowie dritte Zwischenzahnrad 72, 73 sowie 74 in Überein­ stimmung mit jedem Befehl, der dem dritten Antriebsmotor 51 zugeführt wird.

Hierbei werden jedes Drehmoment und jeder Drehwinkel durch die Dehnungsmeßstreifen 35, 46 sowie 56 und die Drehwinkel­ fühler 36, 47 sowie 57, welche an den jeweiligen Antriebs­ einheiten 3, 4 und 5 im Gelenkbausatz 2 angebracht sind, erfaßt, und ein Signal wird unmittelbar von jeder der Antriebseinheiten 3, 4 sowie 5 herausgeführt.

Die Wirkungen, die insgesamt der ersten bevorzugten Ausfüh­ rungsform zuzuschreiben sind, sind im wesentlichen die im folgenden angegebenen.

Der Fingermodul der ersten bevorzugten Ausführungsform in der oben beschriebenen Konstruktion umfaßt irgendeine Kombi­ nation einer einzigen Basisbaugruppe 1, von drei Antriebs­ einheiten 3, 4 sowie 5 und von drei Fingersegmenten 2, 6 sowie 7, und er bietet die derartigen Effekte, daß die Gestalt, die Bewegung und die Funktion, die zu menschlichen Fingern analog sind, verwirklicht werden können sowie eine Gelenkverbindung mit mehrfachen Freiheitsgraden auf einfa­ che Weise nach Belieben entsprechend irgendwelchen Objekten und Umgebungsverhältnissen realisiert werden kann.

Die Anordnung der Fingermodulkonstruktion der ersten bevor­ zugten Ausführungsform ist eine solche, daß, wenn die Basis­ baugruppe 1 als Grundlage genommen wird, jeder Fingermodul unabhängig ist und irgendwelche notwendigen Teile oder Ele­ mente zusätzlich an jedem Modul vorgesehen werden. Da irgend­ welche komplizierten Bauteile oder Elemente an jedem Modul als eine eigene, getrennte Konstruktion vorgesehen werden können, sind solche Vorteile zu nennen, daß jede funktionel­ le Moduleinheit unabhängig oder auch gleichzeitig montiert oder demontiert werden können und daß jede funktionelle Mo­ duleinheit angebaut oder abgebaut und rasch sowie ohne Schwierigkeit repariert oder ausgetauscht werden kann. Weil darüber hinaus die Anzahl und die Anordnung von Gelen­ ken nach Belieben ohne weiteres verändert werden können, hat man die vorteilhafte Wirkung, daß die Zahl der Freiheitsgra­ de hoch ist und die Anwendungsmöglichkeiten groß sind. Im Fall des Auftretens von irgendwelchen Fehlern oder Störun­ gen können lediglich der fehlerhafte Modul oder die fehler­ haften Bauteile ersetzt werden, und deshalb wird ein betrieb­ licher Effekt erzielt, daß die Anzahl der zu reparierenden Teile und die für eine Reparatur erforderliche Zeit zusätz­ lich zu der Leichtigkeit einer Reparatur in hohem Maß ver­ ringert werden.

Weil die Roboterhand der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine dreifingrige und neungelenki­ ge Roboterhand ist, wird ein stabiles Festhalten als Hand ermöglicht, können eine Lage und Stellung eines erfaßten Ob­ jekts verändert werden, und kann die Anwendungsmöglichkeit der Roboterhand in hohem Maß gesteigert oder erweitert wer­ den. Als Wirkung ergibt sich deshalb, daß die Roboterhand flexibel und die Anpassungsfähigkeit an irgendwelche Umge­ bungsverhältnisse hoch ist.

Es ist als weitere vorteilhafte Wirkung anzuführen, daß die Roboterhand in der ersten bevorzugten Ausführungsform ohne Schwierigkeiten als eine Hand mit unterschiedlichen Formen, Anordnungen und unterschiedlicher Anzahl an Hauptteilen kon­ struiert werden kann, indem nach Wunsch die Basisbaugruppe von der dreieckigen kegelstumpfförmigen Gestalt weg abgewan­ delt wird. Ferner ist ein betrieblicher Effekt noch hervorzu­ heben, daß ein kleiner Raumbedarf und ein großes Unterset­ zungsverhältnis durch die Verwendung eines harmonischen An­ trieb-Untersetzungsmechanismus erreicht werden.

Darüber hinaus bewerkstelligen in der Roboterhand der ersten bevorzugten Ausführungsform die Drehungen des zweiten sowie dritten Fingersegments eines jeden Fingermoduls um die zweiten sowie dritten Drehwellen herum die Biegebewegung eines jeden Fingers innerhalb der jeweiligen Ebene, und die Bewegung des ersten Bausatzes um die erste Verbindungswelle herum, die zur Befestigungsfläche der Basisbaugruppe eine Neigung aufweist, dreht jede Ebene, in welcher die Biege­ bewegung ausgeführt wird. Das freie Ende des dritten Gelenk­ bausatzes, das einer Fingerspitze entspricht, kann insofern in einer Klemmrichtung, d. h. einer radialen Richtung, und in einer zur Klemmrichtung rechtwinkligen Richtung verlagert werden, und deshalb kann ein solch äußerst schwieriger Vor­ gang, wie ein Festklemmen und Drehen eines Schraubenkopfes ausgeführt werden.

Da die Antriebselemente zum Betrieb des ersten und zweiten Fingersegments am Gelenkbausatz vorgesehen sind, kann die Konstruktion des zweiten und dritten Fingersegments in einer jegliches Herausragen vermeidenden Gestaltung verwirklicht werden, und deshalb kann jegliche störende Be­ einflussung zwischen den einzelnen Fingern untereinander verhindert werden.

Das Verfahren, um das Fingermodulsignal bei der ersten be­ vorzugten Ausführungsform zu ermitteln und herauszuführen, beruht darauf, daß das Signal von irgendeinem stationären Bauteil, das an jeder im Gelenkbausatz vorgesehenen Antriebseinheit fest ist, ermittelt und abgegeben wird. Dieses Verfahren macht es folglich möglich, das Drehmoment, die Steifigkeit od. dgl. bei jeweils jedem Freiheitsgrad zu kontrollieren, und macht die Korrektur, den Austausch sowie die Reparatur der Fühler einfach. Es besteht keine Notwendig­ keit dafür, irgendwelche Schleifringe zu verwenden, noch ir­ gendwelche Signale durch den Gelenkbausatz zu erfassen und nach außen zu führen. Demzufolge bietet dieses Verfahren eine weitere vorteilhafte Wirkung, da es in hohem Maß zuver­ lässig und einfach ist.

Zweite Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4-6 wird eine Konstruktion einer Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf den Unterschieden gegenüber der ersten bevorzugten Aus­ führungsform liegt.

Eine Roboterhand der zweiten Ausführungsform umfaßt drei einzelne Fingermoduln, die mit einem Abstand von 120° an einer hängenden Basisbaugruppe 110, wie in Fig. 4 gezeigt ist, vorgesehen sind.

Jeder Fingermodul bei der zweiten Ausführungsform umfaßt eine kreisförmige Basisplatte 111, wie in Fig. 4 und 5 ge­ zeigt ist, für die Basisbaugruppe und Stützen 112, die mit einem Abstand von 120° von der Unterseite der Basis­ platte 111, die in Fig. 5 gezeigt ist, herabhängen.

Eine erste Antriebseinheit 130 umfaßt einen Elektro­ motor 131, ein Kegelrad 133, einen harmonischen Antrieb- Untersetzungsmechanismus 134, einen Dehnungsmeßstreifen 135 und einen Rotationsfühler 136. Der Elektromotor 131 ist unter einem rechten Winkel an der Seitenwand der Stütze 112 der Basisbaugruppe 110 angebracht. Das Kegelrad 133 ist am oberen Ende einer ersten Verbindungswelle 11S, die koaxial innerhalb der Stütze 112 angeordnet ist, befestigt und kämmt mit einem Kegelrad 132, das auf der Drehwelle des Elektro­ motors 131 gehalten ist. Der harmonische Antrieb-Unterset­ zungsmechanismus 134 wird von einem an der ersten Verbin­ dungswelle 11S festen Wellenerzeuger 134A, einer an der Stütze 112 festen flexiblen Verschiebekeilhülse 134B und einer an der Stütze 112 drehbar gehaltenen kreisförmigen Schiebekeilhülse 134C, die mit der flexiblen Schiebekeil­ hülse 134B in Eingriff ist, gebildet. Der Dehnungsmeßstrei­ fen 135 ist an der Seitenwand der flexiblen Schiebekeilhülse 134B angebracht, und der Rotationsfühler 136 ist (in Fig. 5 am linken Endabschnitt) des Elektromotors 131 festgehalten.

Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt ist, ist ein Gelenkbau­ satz 120, der wie ein kopfstehendes T ausgebildet ist, am unteren Teil der Stütze 112 angeordnet und umfaßt ein erstes Gelenkglied oder Fingersegment 121, das an der ersten Verbindungswelle 11S ge­ halten sowie mit dieser drehbar und einstückig an der kreis­ förmigen Schiebekeilhülse 134C befestigt ist.

Eine zweite Antriebseinheit 140 umfaßt einen Elektromo­ tor 141, ein Kegelrad 144, einen harmonischen Antrieb- Untersetzungsmechanismus 145, einen Dehnungsmeßstreifen 146 und einen Rotationsfühler 147. Der Elektromotor 141 ist am rechten Endstück 122 des ersten Gelenkglieds 121 senk­ recht angebracht, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Das Kegelrad 144 ist am rechten Ende einer Drehwelle 143 befestigt, die eine zweite Verbindungswelle 125 bildet, welche am rechten Endstück 122 des ersten Gelenkglieds 121 sowie in einem zentralen Teil drehbar gelagert ist. Das Kegelrad 144 steht mit einem Kegelrad 142 an der Drehwelle des Elektromotors 141 in Eingriff. Der harmonische Antrieb-Untersetzungsmecha­ nismus 145 wird von einem an der Drehwelle 143 festen Wellen­ erzeuger 145A, einer mit dem Wellenerzeuger 145A in Anlage befindlichen sowie am rechten Endstück 122 des ersten Gelenk­ glieds 141 festen flexiblen Schiebekeilhülse und einer kreisförmigen Schiebekeilhülse 145C gebildet, die an einem zwei­ ten Fingersegment 160, der noch beschrieben werden wird, einstückig ausgebildet sowie mit der flexiblen Schiebekeil­ hülse 145B in Eingriff ist. Die Schiebekeilhülse 145C ist mit Bezug zum rechten Endstück 122 drehbar gehalten. Der Dehnungsmeßstreifen 146 ist an der Seitenwand der flexiblen Schiebekeilhülse 145B vorgesehen, während der Rotationsfühler 147 am oberen Ende des Elektromotors 141 angeordnet ist.

Eine dritte Antriebseinheit 150 hat eine zur zweiten An­ triebseinheit 140 gleichartige Konstruktion mit der Aus­ nahme, daß die dritte Antriebseinheit 150 am linken End­ stück 123 des ersten Gelenkglieds 121 vorhanden ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist, und daß eine kreisförmige Schiebekeil­ hülse 155C eines harmonischen Antrieb-Untersetzungsmechanis­ mus 155 einstückig mit einem Eingangszahnrad 171 eines drit­ ten Fingersegments 170, worauf noch eingegangen werden wird, ausgebildet ist. Insofern kann eine nähere Beschreibung der dritten Antriebseinheit 150 unterbleiben.

Das zweite Fingersegment 160 ist einstückig mit der kreis­ förmigen Schiebekeilhülse 145C in der zweiten Antriebsein­ heit 140 ausgebildet und besteht aus einem zweiten Ge­ lenkglied 161, das um die zweite Verbindungswelle 12S re­ lativ zum Gelenkbausatz 120 dreht.

Das dritte Fingersegment 170 umfaßt ein innerhalb des zwei­ ten Gelenkglieds 161 drehbar gehaltenes sowie einstückig mit der kreisförmigen Schiebekeilhülse 155C der dritten Antriebseinheit 150 drehendes Eingangszahnrad 171, ein zweites Zwischenzahnrad 173, das mit dem ersten Zwischen­ zahnrad 172 kämmt, welches mit dem im zweiten Gelenkglied 161 drehbaren Eingangszahnrad in Eingriff ist, und ein drit­ tes Gelenkglied 176, das aus einem an beiden Stirnseiten des zweiten Zwischenzahnrades 173 festen ersten Glied 174 und einem zweiten Glied 175 besteht, das ein am freien Ende des ersten Glieds 174 fest angebrachtes Haltewerkzeug bildet.

Die Gesamtfunktion der Roboterhand nach der zweiten Aus­ führungsform mit der oben beschriebenen Konstruktion ist zu derjenigen der ersten bevorzugten Ausführungsform gleichartig. Das zweite und das dritte Gelenkglied 161 bzw. 176 drehen, während sie Orte beschreiben, die in Fig. 5 durch eine einfach punktierte bzw. eine doppelt punktierte Linie angegeben sind.

Die Roboterhand der zweiten Ausführungsform mit der oben angegebenen Gesamtfunktion bietet die gleichartigen Wirkun­ gen, wie sie die erste Ausführungsform bietet mit der Aus­ nahme, daß der Gelenkbausatz 120 um die erste Verbin­ dungswelle 11S rechtwinklig zur Befestigungsfläche der Ba­ sisbaugruppe 110 dreht. Wie aus dem durch eine doppelt punk­ tierte Linie angegebenen Ortsverlauf hervorgeht, ermöglicht die Roboterhand, eine zur Innen- und Außenseite symmetri­ sche Tätigkeit durchzuführen, wobei die Konstruktion verein­ facht wird, weil das zweite Gelenkglied nicht mit dem Ge­ triebemechanismus bzw. Zahnradgetriebe wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform versehen ist, und die Montage, Demontage sowie Reparaturarbeiten werden sehr viel ein­ facher.

Dritte Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 wird eine dritte be­ vorzugte Ausführungsform beschrieben, wobei der Schwerpunkt lediglich auf dem Unterschied zwischen dieser bevorzugten Ausführungsform und den vorher beschriebenen Ausführungs­ formen liegt.

Die Roboterhand nach der dritten bevorzugten Ausführungsform hat einen solchen Aufbau, wobei die technischen Konzeptionen der ersten und zweiten Ausführungsform kombiniert sind, um die mit der Erfindung verfolgten Ziele zu erreichen. Die hauptsächlichen Unterschiede der in den Fig. 7 und 8 gezeig­ ten dritten Ausführungsform zu der ersten bzw. Ausführungs­ form sind die folgenden.

Das erste, zweite und dritte Fingersegment 220 bzw. 260 bzw. 270 sind alle aus einfachen und geraden Bauteilen aufgebaut. Ein Elektromotor 231 in der ersten Antriebseinheit ist senkrecht vorgesehen, indem eine erste Verbindungswelle 21S horizontal angeordnet wird, und Rotationsfühler 247 sowie 257, die Teile der zweiten und dritten Antriebseinheit sind, sind an den freiliegenden Endabschnitten der Elektro­ motoren 241 und 251 angebracht. Die Drehpositionen eines zweiten Gelenkglieds 261 und eines dritten Gelenkglieds 276 ermöglichen es, symmetrische Bewegungen intern oder extern, wie durch eine doppeltpunktierte Linie in Fig. 7 angegeben ist, in gleichartiger Weise zu denjenigen der zweiten be­ vorzugten Ausführungsform auszuführen. Weitere betriebliche Wirkungen sind denjenigen der vorhergehenden bevorzugten Aus­ führungsformen gleichartig mit der Ausnahme, daß das erste Fingersegment des Gelenkbausatzes 220 um die erste Verbindungswelle 21S dreht, die horizontal an einer Montagefläche der Basisbaugruppe gehalten ist.

Bei der oben beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungs­ form wurde für die Anordnung eines jeden Fingermoduls die in Fig. 4 gezeigte Befestigung an der Basisbaugruppe 110 angegeben, jedoch kann bei der vorliegenden Erfindung eine andere Anordnungsart zur Anwendung kommen, die in Fig. 9 gezeigt ist, wobei der Elektromotor 131 und zugehörige Teile parallel zu den anderen Elektromotoren usw. angeord­ net sind.

Claims (2)

1. Fingermodul einer Roboterhand, mit mindestens drei gelenkig miteinander verbundenen Fingersegmenten, welche jeweils von einer Antriebsquelle antreibbar sind,

• - mit einem Gelenkbausatz (2, 120, 220), der an der Basisbaugruppe der Roboterhand befestigt ist und ein er­ stes Fingersegment aufweist, das schwenkbar gegenüber der Basis (1, 110) gelagert ist, wobei die Schwenkachse sich in Richtung der Längsachse des ersten Fingersegments er­ streckt,
• - mit weiteren Fingersegmenten, die als Gelenkmodule (6, 7) ausgebildet sind,
• - mit Antriebsmodulen (3, 4, 5) für sämtliche Fin­ gersegmente, wobei die Antriebsmodule an dem Gelenkbausatz (2, 120, 220) angeordnet sind, und
• - mit Zahnradgetrieben zwischen den Gelenkmodulen an den zugehörigen Antriebsmodulen.

2. Fingermodul nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmodule (3, 4, 5) für sämtliche Fingersegmente an dem ersten Fingersegment angeordnet sind.