AT401633B - Sensor-assisted robot gripper system according to the tentacle principle - Google Patents
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Description
AT 401 633 BAT 401 633 B
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren für Handhabungsgeräte, insbesondere für selbst- und ferngesteuerte Roboter zum Erfassen, Greifen und Halten von Gegenständen mit nicht im Detail bekannter Gestalt. Beschaffenheit. Position und Raumlage, wobei der Greifvorgang durch ein Umschlingen des Gegenstandes und durch Anschmiegen von Greiferteilen des mehrgliedrigen Greifermechanismus an 5 Gegenstandsteile erfolgt. Die Kinematik des Greifermechanismus ist dabei durch eine hohe Zahl von kinematischen Achs-Freiheitsgraden gekennzeichnet, die eine durch Aktuatoren eingeleitete flexible Anpassung der Greifergestalt an die Gestalt des Gegenstandes ermöglicht. Dabei dienen Sensoren an der Greiferoberfläche, beispielsweise in Nähe der Gelenke des Greifermechanismus zur Erfassung von Kontaktkräften bei der Berührung und Umschlingung des zu greifenden Gegenstandes. Die Sensorsignale werden io verstärkt, digitalisiert und einem Rechenwerk, beispielsweise Digitalcomputer zugeführt, wo sie nach digitaler Verarbeitung in einem Regelalgorithmus zur Ansteuerung der Aktuatoren des mehrgliedrigen Greifermechanismus dienen. Für den Regelalgorithmus kommen lineare und nichtlineare Verfahren, vorteilhafterweise jedoch an sich bekannte Elemente wie Neuronale Netze und Fuzzy Algorithmen zum Einsatz.The invention relates to a device and a method for handling devices, in particular for self- and remote-controlled robots for detecting, gripping and holding objects with a shape that is not known in detail. Nature. Position and spatial position, the gripping process being carried out by looping around the object and by fitting gripper parts of the multi-part gripper mechanism to 5 object parts. The kinematics of the gripper mechanism is characterized by a large number of kinematic axis degrees of freedom, which enables a flexible adaptation of the gripper shape to the shape of the object, initiated by actuators. Sensors on the gripper surface, for example in the vicinity of the joints of the gripper mechanism, are used to detect contact forces when touching and wrapping the object to be gripped. The sensor signals are amplified, digitized and fed to an arithmetic unit, for example a digital computer, where, after digital processing, they are used in a control algorithm to control the actuators of the multi-unit gripper mechanism. Linear and non-linear methods are used for the control algorithm, but advantageously known elements such as neural networks and fuzzy algorithms are advantageously used.
Das Verfahren zur regelungstechnischen Auswertung der Sensorsignale im Rechenwerk sowie die 15 Regelung und Ansteuerung der Greifermotoren ermöglichen einen Greifvorgang ohne vorherige Kenntnis der genauen Gegenstandsposition, Gegenstandslage, Gegenstandsgestalt und Gegenstandsbeschaffenheit, indem die Sensorsignale selbst dazu herangezogen werden, die Lagen- und Gestalteigenschaften des Gegenstandes wahrend des Greifvorganges zu ermitteln. Die Greifreaktion wird durch die gerätetechnische Nachbildung eines bedingten Reflexes ausgelöst, wobei die in den Sensorsignalen durch Ort und Zeitpunkt 20 der Gegenstandsberührung sowie beispielsweise die in der Größe der aufgenommenen Kontaktkräfte vorhandene Information zur Optimierung des Greifvorganges hinsichtlich Greif Position, Greifgeschwindigkeit und Greifkraft herangezogen wird. Es wird insoweit auf die Oberbegriffe der Patentansprüche 1 bis 7 verwiesen.The process for the control-related evaluation of the sensor signals in the arithmetic unit as well as the regulation and control of the gripper motors enable a gripping process without prior knowledge of the exact object position, object position, object shape and object quality by the sensor signals themselves being used to determine the position and design properties of the object during the To determine the gripping process. The gripping reaction is triggered by the device-technical simulation of a conditional reflex, the information present in the sensor signals by location and time 20 of the object contact and, for example, the size of the contact forces recorded, being used to optimize the gripping process with regard to the gripping position, gripping speed and gripping force. In this regard, reference is made to the preambles of claims 1 to 7.
Bekannt sind Greifersysteme, die zum Erfassen des Gegenstandes beispielsweise greifzangenähnliche 25 Vorrichtungen, Unterdruck-Saugsysteme oder mit dem Gegenstand formschiußbildende Paßflächen aufweisen.Gripper systems are known which, for gripping the object, have, for example, devices similar to gripping tongs, vacuum suction systems or mating surfaces which form-fit with the object.
In DE 4 109 724 A wird beispielsweise ein Greifwerkzeug zur Aufnahme von ungeordnet in Behältern liegenden Werkstücken beschrieben, welches in einer alternativen Ausführungsform mit Tentakeln aus biegeschlaffem und längselastischem Schlauch bestückt ist. Diese Tentakel werden passiv vom dem 30 Greifwerkzeug mitgeführt und nicht artikuliert bewegt. Es kann daher keine durch geregelte Aktuatoren eingeieitete flexible Anpassung der Greifergestalt an die Gestalt des Gegenstandes bewirkt werden, wie dies bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Fall ist.DE 4 109 724 A, for example, describes a gripping tool for picking up workpieces which are disordered in containers and, in an alternative embodiment, is equipped with tentacles made of flexible and longitudinally elastic hose. These tentacles are carried passively by the gripping tool and are not articulated. Therefore, flexible adaptation of the gripper shape to the shape of the object, initiated by controlled actuators, cannot be brought about, as is the case with the device according to the invention.
Bekannt sind weiters aus US 4 723 353 A auswechselbare; multifunktionale Endeffektor-Werkzeuge, ausgerüstet mit Saugnäpfen, welche jedoch nicht wie bei der erfindungsgemäßen Einrichtung von einem 35 mehrgliedrigen Mechanismus getragen werden, der im Vergleich zur Anzahl der räumlichen Freiheitsgrade eine hohe Anzahl von kinematischen Achs-Freiheitsgraden aufweist. Es kann durch die vorgestellte Einrichtung kein Umschlingen des Werkstückes durch einen regeltechnisch realisierten Greifreflex bewirkt werden.Interchangeable from US 4,723,353 A are also known; multifunctional end effector tools, equipped with suction cups, which, however, are not carried by a multi-unit mechanism, as in the device according to the invention, which has a high number of kinematic axis degrees of freedom compared to the number of spatial degrees of freedom. The device presented does not allow the workpiece to be looped around by a gripping reflex implemented in terms of control technology.
In FR 2 354 861 A wird ein mehrgliedriger Greifermechanismus beschrieben. Seine Elemente werden jo nicht wie in der erfindungsgemäßen Einrichtung im Sinne eines sensorüberwachten, regeltechnisch realisierten Greifreflexes bewegt.FR 2 354 861 A describes a multi-member gripper mechanism. Its elements are not moved as in the device according to the invention in the sense of a sensor-monitored, control-technical realized gripping reflex.
Bekannt sind weiters aus SU 1 240 578 A klammerförmige Greifer mit Mehrementfingern, welche den Greifvorgang in hohlen Werkstücken erleichtern. Im Gegensatz zur erfindungsgemässen Einrichtung werden diese Mehrelementfinger nicht im Sinne eines sensorüberwachten, regeltechnisch realisierten Greifreflexes 45 bewegt.Also known from SU 1 240 578 A are clamp-shaped grippers with multi-element fingers which facilitate the gripping process in hollow workpieces. In contrast to the device according to the invention, these multi-element fingers are not moved in the sense of a sensor-monitored, control-technical realized gripping reflex 45.
In EP 402 849 A werden Robot-Manipulatoren beschrieben, deren Bewegungsverlauf mittels Fuzzy Algorithmen kontrolliert wird. Dort dienen die regeibasierten Elemente der Fuzzy-Regelung zur Umgehung des invers-kinematischen Problems, und nicht wie im erfindungsgemässen Verfahren zur Erzielung eines regeltechnisch nachgebildeten Greifreflexes. so Es sind weiters unterschiedliche Ausführungsformen von Fuzzy-Logik-Schaltkreisenbekannt. beispielsweise US 5 046 019 A und GB 2 252 426 A. Im ersten Beispiel wird die Defuzzifizierung durch neuronale Netzwerke bewerkstelligt. Im zweiten Beispiel berechnet ein Rechenwerk bestehend aus einem Fuzzv-Regier die Zugehörigkeitsfunktion zufolge des Regelwertes der Strecke mittels Inferenz, und bestimmt die Steuergröße aus der Zugehörigkeitsfunktion. Im Gegensatz zum erfindungsgemässen Verfahren dienen 55 diese Regler nicht zur Erzielung eines Greifreflexes, legen daher die gegenständliche Erfindung nicht nahe.In EP 402 849 A, robot manipulators are described, the movement of which is controlled by means of fuzzy algorithms. There, the control-based elements of the fuzzy control serve to circumvent the inverse kinematic problem and not, as in the method according to the invention, to achieve a gripping reflex simulated in terms of control technology. Different embodiments of fuzzy logic circuits are also known. for example US 5 046 019 A and GB 2 252 426 A. In the first example the defuzzification is accomplished by neural networks. In the second example, an arithmetic unit consisting of a Fuzzv controller calculates the membership function based on the control value of the route by means of inference, and determines the control variable from the membership function. In contrast to the method according to the invention, these controllers do not serve to achieve a gripping reflex and therefore do not suggest the present invention.
Die bisherigen Verfahren und Vorrichtungen setzen eine Positionierung des Greifersystems unter Berücksichtigung von zumindest angenäherter Übereinstimmung mit der Gegenstandspositon und Gegenstandslage voraus, wobei die Position und Lage des Gegenstandes zumindest annähernd bekannt sein 2The previous methods and devices require the gripper system to be positioned, taking into account at least approximate correspondence with the object position and position, the position and position of the object being at least approximately known 2
AT 401 633 B muß. Die Zahl der kinematischen Achs-Freiheitsgrade der bekannten Greifersysteme liegt in der Größenordnung der räumlichen Freiheitsgrade oder darunter, so daß eine durch Aktuatoren eingeleitete flexible gestaltmäßige Anpassung der äußeren Gestalt des Greifersystems an die Gegenstandsgestalt nicht möglich ist.AT 401 633 B must. The number of kinematic axis degrees of freedom of the known gripper systems is in the order of magnitude of the spatial degrees of freedom or less, so that a flexible design adaptation of the external shape of the gripper system initiated by actuators to the object shape is not possible.
Bekannt sind weiters Greifersysteme, die mit taktilen Sensoren ausgestattet sind, um durch Berüh-rungs- und Kraftinformation aus der Wechselwirkung mit dem Gegenstand Informationen zur Ansteuerung der Greiferaktuatoren zu gewinnen. Die Sensoren dienen dabei jedoch beispielsweise lediglich der Erfassung der Anpreßkräfte und des Rutschverhaltens zwischen Greifer und Gegenstand, die Sensorsignale werden nicht zur gerätetechnischen Nachbildung eines bedingten Greifreflexes herangezogen, wie dies beim erfindungsgemäßen Verfahren der Fall ist.Also known are gripper systems which are equipped with tactile sensors in order to obtain information for controlling the gripper actuators from the interaction with the object by means of contact and force information. However, the sensors only serve, for example, to record the contact forces and the slipping behavior between the gripper and the object, the sensor signals are not used to simulate a conditioned gripping reflex, as is the case with the method according to the invention.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren für Handhabungsgeräte, insbesondere für selbst- oder ferngesteuerte Roboter zu schaffen, welche das Erfassen und Greifen von Gegenständen mit nicht im Detail bekannter Gestalt, Beschaffenheit, Position und Raumlage ermöglicht, wobei der Greifvorgang selbst durch Sensoren an der Greifersystemoberfläche und einem angeschlossenen Rechenwerk eingeleitet und derartig gesteuert wird, daß ein gerätetechnisch nachgebildeter Greifreflex bewirkt wird.The invention is therefore based on the object of providing a device and a method for handling devices, in particular for self-controlled or remote-controlled robots, which enables the detection and gripping of objects with a shape, nature, position and spatial position not known in detail, the gripping process even initiated by sensors on the gripper system surface and a connected arithmetic unit and controlled in such a way that a gripping reflex simulated in terms of device technology is brought about.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:The device according to the invention is characterized by the following features:
Einrichtung für Handhabungsgeräte, insbesondere für selbst- und ferngesteuerte Roboter zum Erfassen, Greifen und Halten von Gegenständen mit nicht im Detail bekannter Gestalt, Beschaffenheit, Position und Raumlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Greifvorgang durch ein Umschlingen des Gegenstandes und durch Anschmiegen von Greiferteilen des mehrgliedrigen, im Sinne eine künstlichen Greifreflexes geregelten Greifermechanismus an den zu greifenden Gegenstand oder Gegenstandsteile erfolgt.Device for handling devices, in particular for self- and remote-controlled robots for grasping, gripping and holding objects with a shape, nature, position and spatial position not known in detail, characterized in that the gripping process by looping around the object and by fitting gripper parts of the multi-part , in the sense of an artificial gripping reflex controlled gripper mechanism on the object or parts of objects to be gripped.
Die Kinematik des Greifermechanismus besitzt eine im Vergleich zur Anzahl der räumlichen Freiheitsgrade hohe Anzahl von kinematischen Achs-Freiheitsgraden, um ein Umschlingen des Gegenstandes sowie Gegenstandsteile und ein Anschmiegen an die Gegenstandoberfläche zu ermöglichen. Eine im Vergleich zur Anzahl der räumlichen Freiheitsgrade hohe Anzahl von Sensoren messen die Berührung mit der Gegenstandsoberfläche über an sich bekannte Verfahren wie beispielsweise Beschleunigungsmessung, Kraftmessung und Körperschallmessung. Die Sensorsignale werden nach Aufbereitung und Digitalisierung einem Rechenwerk zugeführt, Die Ansteuerung der Aktuatoren erfolgt durch Steuersignale, welche durch Abarbeitung eines im Rechenwerk ausgeführten Algorithmus aus den Sensorsignalen gewonnen werden.The kinematics of the gripper mechanism has a large number of kinematic axis degrees of freedom compared to the number of spatial degrees of freedom, in order to enable the object to be wrapped around and parts of the object and to nestle against the surface of the object. A large number of sensors compared to the number of spatial degrees of freedom measure the contact with the surface of the object using methods known per se, such as acceleration measurement, force measurement and structure-borne noise measurement. After processing and digitization, the sensor signals are fed to an arithmetic unit. The actuators are activated by control signals which are obtained from the sensor signals by processing an algorithm executed in the arithmetic unit.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen und Greifen von Gegenständen mit gerätetechnisch nachgebildtetem Greifreflex ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:The method according to the invention for grasping and gripping objects with a gripping reflex simulated in terms of device technology is characterized by the following method steps:
Der zur Steuerung des Greifvorganges ausgeführte Regelalgorithmus bewirkt nach einem schrittweisen Suchverfahren unter Miteinbeziehung der Sensorinformationen mit an sich bekannten Optimierungskriterien ein Umschlingen des Gegenstandes oder Gegenstandsteile, sowie ein Anschmiegen des Greifermechanismus (1,2,3,4,5 und 7) an die Gegenstandsoberfläche. Damit wird ein gerätetechnisch nachgebildeter Greifreflex ausgeübt. Die Verfahrensschritte sind im Einzelnen: - Das Greifersystem wird mittels seiner Aktuatoren in eine neutrale Ausgangslage versetzt. - Durch Überstreichen des Raumes, in welchem sich der zu greifende Gegenstand befindet, wird durch den ersten Berührungskontakt zwischen Gegenstand und Greifersensoren der Greifvorgang eingeleitet (gerätetechnisch nachgebildeter Greifreflex) - In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch raumüberstreichende Bewegungen der Greiferglieder zufällige weitere Gegenstands-Sensorkontakte bewirkt, wobei bei jeder Berührung die Raumkoordinaten des Gegenstandspunktes gespeichert werden, um später als Hilfsinformation zur angenäherten Erfassung der Gegenstandsraumlage zu dienen. Die Koordinaten der Berührungspunkte können aus der jederzeit bekannten Lage der Greiferglieder mit Hilfe des Rechenwerkes bestimmt werden. - Die Greiferglieder werden, gesteuert durch das Rechenwerk, in jene Richtung bewegt, in der sich die Anzahl der Sensorberührungen erhöht. Dieser Prozeß wird in Form eines schrittweisen Suchverfahrens mit an sich bekannten Optimierungskriterien durchgeführt, und bewirkt ein Umschlingen des Gegenstandes und ein Anschmiegen der Greiferstruktur an die Gegenstandsoberfläche. Das Suchverfahren wird durch vorher bestimmte Gegenstands-Hilfspunkte unterstützt. - Das Suchverfahren wird abgebrochen, wenn sich der Gegenstand im ausreichend festen Griff des Greifersystems befindet. Dieser Zustand wird vom Rechenwerk aus den Sensorsignalen ermittelt. Für den Regelalgorithmus werden an sich bekannte lineare oder nichtlineare Verfahren eingesetzt, vorteilhafterweise jedoch Elemente wie Neuronale Netze und Fuzzy Algorithmen.The control algorithm, which is used to control the gripping process, uses a step-by-step search procedure, including sensor information and optimization criteria known per se, to wrap the object or parts of it, and to cling the gripper mechanism (1, 2, 3, 4, 5 and 7) to the surface of the object. In this way, a gripping reflex simulated in terms of device technology is exerted. The individual process steps are: - The gripper system is set to a neutral starting position by means of its actuators. - By sweeping over the space in which the object to be gripped is located, the gripping process is initiated by the first contact between the object and the gripper sensors (gripping reflex simulated in terms of device technology) causes, with each touch the spatial coordinates of the object point are stored in order to later serve as auxiliary information for the approximate detection of the object space position. The coordinates of the contact points can be determined from the position of the gripper members, which is known at all times, with the aid of the arithmetic unit. - Controlled by the arithmetic unit, the gripper members are moved in the direction in which the number of sensor touches increases. This process is carried out in the form of a step-by-step search method with optimization criteria known per se, and causes the object to be looped around and the gripper structure nestled against the object surface. The search procedure is supported by previously determined item help points. - The search procedure is terminated when the object is in the gripper system's grip. This state is determined by the arithmetic unit from the sensor signals. Known linear or non-linear methods are used for the control algorithm, but elements such as neural networks and fuzzy algorithms are advantageously used.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen, Halten und Greifen von Gegenständen werden anhand von 3Advantageous embodiments and developments of the device according to the invention and of the method according to the invention for grasping, holding and gripping objects are shown in FIG. 3
Claims (7)
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