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Technisches
Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Greifvorrichtung mit drei Greifelementen,
bei der ein erstes und ein zweites Greifelement nebeneinander angeordnet
und unabhängig
voneinander um jeweils eine Querachse und eine Hochachse schwenkbar
sind, und ein drittes Greifelement dem ersten und zweiten Greifelement
gegenüber
angeordnet ist.
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Greifvorrichtungen
mit fingerförmigen
Greifelementen finden vor allem in Bereichen Anwendung, in denen
bei Handhabungsaufgaben flexibel auf unterschiedliche Objektgeometrien
reagiert werden muss.
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Bekannte
Greifvorrichtungen unterscheiden sich vor allem durch das eingesetzte
Greifprinzip und ihren unterschiedlichen Flexibilitätsgrad in
Bezug auf das Greifspektrum. Alle derzeit bekannten Greifvorrichtungen
weisen ein sehr hohes Maß an
Komplexität
bezüglich
der Kinematik bzg. der notwendigen steuerungstechnischen Schnittstellen
auf.
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Ein
Beispiel für
eine bekannte Greifvorrichtung, wie sie beispielsweise aus W. Townsend, "The BarretHand grasper – programmably
flexible part handling and assembly", Industrial Robot, Vol. 27, No. 3 2000,
Seiten 181–188
bekannt ist, ist die sogenannte Barret-Hand der Fa. Barret Technology
Inc., die drei fingerförmige Greifelemente
für die
Durchführung
der Greifaufgaben aufweist. Zwei der Greifelemente sind nebeneinander, das
dritte ist diesen gegenüber
angeordnet. Alle drei Greifelemente sind unabhängig voneinander um jeweils eine
Querachse schwenkbar. Die Greifvorrichtung verfügt insgesamt über vier
Antriebe. Drei der Antriebe bewegen die drei Greifelemente je über einen
Seilantrieb. Ein vierter Antrieb erzeugt eine Drehbewegung der beiden
nebeneinander angeordneten Greifelemente um das Zentrum der Hand.
Diese Greifvorrichtung weist ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich
der zu greifenden Gegenstände
auf, ist jedoch aufgrund der Komplexität ihrer Kinematik für viele
Anwendungen nicht wirtschaftlich einsetzbar.
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Einige
weitere bekannte Greifvorrichtungen weisen eine noch höhere Komplexität der Greifkinematik auf.
Diese hohe Komplexität
führt dazu,
dass viele dieser Greifvorrichtungen nicht ausreichend robust gegen mechanische
oder elektromagnetische Störeinflüsse sind.
Die hohe Anzahl an Einzelteilen und Antrieben verursacht zudem hohe
Kosten, so dass diese Greifvorrichtungen für viele Anwendungen nicht wirtschaftlich
einsetzbar sind. Weiterhin lässt
der hohe steuerungstechnische Aufwand zum Betrieb der Greifvorrichtungen
eine vollständige
Integration der Steuerungstechnik in diese Greifer nicht zu.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Greifvorrichtung
für flexibles
kraft- oder formschlüssiges
Greifen anzugeben, die eine geringe Komplexität bei einem hohen Maß an Flexibilität in Bezug
auf die handhabbaren Objektgeometrien aufweist und sich mit nur
einer geringen Anzahl an elektrischen Antrieben realisieren lässt.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit der Greifvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Greifvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Die
vorliegende Greifvorrichtung mit drei Greifelementen, bei der ein
erstes und ein zweites Greifelement nebeneinander angeordnet und
unabhängig
voneinander um jeweils eine Querachse und eine Hochachse schwenkbar
sind, und ein drittes Greifelement dem ersten und zweiten Greifelement
gegenüber
angeordnet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das dritte Greifelement
annähernd
parallel zur Verbindungslinie des ersten und zweiten Greifelements
zwischen zwei Positionen gegenüber
dem ersten und zweiten Greifelement stufenlos oder schrittweise
verschiebbar angeordnet ist und dass die Hochachsen durch die Hochachsen
am Ort des ersten und zweiten Greifelements gebildet werden.
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Eine
erste Position liegt dabei beabstandet von der Verbindungslinie
des ersten und zweiten Greifelements vorzugsweise zumindest annähernd mittig
zwischen dem ersten und zweiten Greifelement und eine zweite Position
gegenüber
dem zweiten Greifelement. Das dritte Greifelement ist hierbei annähernd parallel zur
Verbindungslinie des ersten und zweiten Greifelements zwischen den
beiden Positionen verschiebbar, wobei es wie bei anderen Ausgestaltungen
bevorzugt auch Zwischenpositionen einnehmen kann.
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Der
einfache Aufbau der vorliegenden Greifvorrichtung ermöglicht eine
vereinfachte Ansteuerung mit nur geringer Komplexität. Die Bewegungsmöglichkeiten
der einzelnen vorzugsweise fingerförmigen Greifelemente erlauben
dennoch eine Realisierung mehrerer Greifarten für eine flexible Handhabung
von Objekten unterschiedlicher Größe und Geometrie.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Greifvorrichtung
sind die Querachsen des ersten und zweiten Greifelements so gekoppelt,
dass sie nicht unabhängig
voneinander um die Hochachsen schwenkbar sind, sondern nur eine
synchrone gegensinnige Bewegung um die Schwenkachsen durchführen können. Auf
diese Weise lässt
sich diese Bewegung mit nur einem Antriebsmechanismus realisieren.
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Vorzugsweise
weist die vorliegende Greifvorrichtung lediglich zwei elektrische
Antriebe für
die Bewegung der Greifelemente auf. Der erste Antrieb erzeugt die
Schwenkbewegung des ersten oder des zweiten Greifelementes um die
zugehörige
Querachse und die synchrone Schwenkbewegung der Querachsen um die Hochachsen.
Der zweite Antrieb übernimmt
die Schwenkbewegung des mit dem ersten Antrieb nicht angetriebenen
ersten oder zweiten Greifelementes um die zugehörige Querachse und die Verschiebung
des dritten Greifelementes zwischen den beiden möglichen Positionen. Diese sehr
vorteilhafte Ausgestaltung kommt somit lediglich mit zwei elektrischen
Antrieben aus. Dies verringert die Komplexität und auch das Gewicht und die
Kosten einer derartigen Greifvorrichtung.
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Die
beiden elektrischen Antriebe sind dabei vorzugsweise derart über Antriebswellen
mit den Querachsen und Hochachsen des ersten und zweiten Greifelementes
und dem Schieber für
das dritte Greifelement gekoppelt, dass die unterschiedlichen Bewegungen
in unterschiedlichen Drehbereichen der Antriebswellen erzeugt werden.
So kann beispielsweise die erste Antriebswelle innerhalb eines ersten
Drehbereiches das erste Greifelement um seine Querachse und innerhalb
eines sich anschließenden
zweiten Drehbereiches das erste und zweite Greifelement bzw. deren
Querachsen gleichzeitig und gegensinnig um die Hochachsen schwenken.
Die zweite Antriebswelle bewegt innerhalb ihres ersten Drehbereiches
das zweite Greifelement um seine Querachse und verschiebt innerhalb
des sich anschließenden
zweiten Drehbereiches das dritte Greifelement in eine andere Position.
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Bei
der Erzeugung der Schenkbewegungen sowie der Schiebebewegung in
unterschiedlichen Drehbereichen der Antriebswellen können entsprechende
Anschläge
für die
Greifelemente vorgesehen sein, die mit den Begrenzungen der Drehbereiche
korrespondieren. Bewegt sich die erste Antriebswelle aus ihrem ersten Drehbereich
heraus und tritt in den zweiten Drehbereich ein, so schlägt das erste
Greifelement gegen einen von zwei Anschlägen, die den ersten Drehbereich
begrenzen. Dadurch verharrt dieses Greifelement in einer vollständig vor-
oder zurückgeklappten
Position. Beim Eintritt der ersten Antriebswelle in den zweiten
Drehbereich öffnet
sich eine Arretierung und die Antriebswelle dreht das erste und
zweite Greifelement gegensinnig um ihre Hochachsen. Bewegt sich
die zweite Antriebswelle aus ihrem ersten Drehbereich heraus und
tritt in den zweiten Drehbereich ein, so schlägt das zweite Greifelement
entsprechend gegen einen von zwei Anschlägen, die den ersten Drehbereich
begrenzen. Dadurch verharrt das zweite Greifelement in einer vollständig vor-
oder zurückgeklappten
Position. Beim Eintritt der zweiten Antriebswelle in den zweiten
Drehbereich öffnet
sich wiederum eine Arretierung und die Antriebswelle schiebt das
dritte Greifelement in eine andere Position. Die Verschieberichtung
ist dabei abhängig
von der Drehrichtung der Antriebswelle.
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In
der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Greifvorrichtung,
die ein oder mehrere der vorgenannten vorteilhaften Ausgestaltungen
beinhalten kann, sind die Querachsen und Hochachsen derart schwenkbar
ausgebildet, dass zumindest drei unterschiedliche Greifbewegungen
ermöglicht
werden. Bei einer ersten Greifbewegung befindet sich das dritte
Greifelement in einer ersten, mittigen Position zwischen den beiden
anderen Greifelementen. Das erste und das zweite Greifelement werden
dann für
den Greifvorgang um ihre Querachsen in Richtung des dritten Greifelementes
geschwenkt. Bei einer zweiten Greifstellung befindet sich das dritte
Greifelement in einer zweiten, dem zweiten Greifelement gegenüber liegenden
Position. Zur Durchführung
des Greifvorganges wird dann das zweite Greifelement in Richtung
des dritten Greifelementes geschwenkt. In einer dritten Greifvariante
befindet sich das dritte Greifelement wiederum in der ersten, mittigen Position.
Für die
Durchführung
des Greifvorganges werden nun das erste und das zweite Greifelement
parallel zur Seite des dritten Greifelementes geschwenkt, wobei
die Quer- bzw. Schwenkachsen
parallel zur Verbindungslinie der beiden Greifelemente ausgerichtet
sind.
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Vorzugsweise
sind die beiden elektrischen Antriebe als programmierbare Elektroantriebe
ausgestaltet, mit denen alle notwendigen Stell- bzw. Positionierfunktionen
erfüllt
werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, die wiederum mit
sämtlichen
der vorgenannten Ausführungsformen
kombinierbar ist, sind die Greifelemente über Anschlussflansche lösbar mit
Trägerkomponenten
verbunden, die für
die Durchführung
der Schwenkbewegungen und Verschiebebewegungen an der Greifvorrichtung
ausgebildet sind. Dies ermöglicht
einen einfachen Wechsel der Greifelemente für eine Anpassung der Greifvorrichtung
an unterschiedliche Anwendungen. Die Greifelemente müssen lediglich
für die
entsprechende Flanschanbindung ausgebildet sein. Es lassen sich
wahlweise sowohl starre als auch adaptive, zwei- oder mehrgliedrige
und/oder elastische Greifelemente in Verbindung mit der vorliegenden
Greifvorrichtung einsetzen. Diese modulartige Bauweise erhöht die Flexibilität der Greifvorrichtung
nochmals.
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Die
Greifvorrichtung weist unterschiedliche Schnittstellen für die Anbindung
an entsprechende Handhabungssysteme, wie beispielsweise Roboter
oder andere Kinematiken, auf. Diese Schnittstellen umfassen eine
mechanische Schnittstelle, beispielsweise einen Flansch, eine elektrische
Schnittstelle für
die Energieversorgung und eine informationstechnische Schnittstelle
zur Programmierung und Steuerung der Greifvorrichtung, beispielsweise
auf Basis von Bussystemen oder Ethernet.
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Die
vorliegende Greifvorrichtung findet vor allem zum flexiblen kraft-
oder formschlüssigen
Greifen von Objekten mit unterschiedlichen geometrischen Eigenschaften
Anwendung. Sie ist einfach aufgebaut, lässt sich mit einem verringerten
steuerungstechnischen Aufwand betreiben und kostengünstig realisieren.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
vorliegende Greifvorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein
Beispiel für
unterschiedliche Verstellmöglichkeiten
der Greifelemente der vorliegenden Greifvorrichtung;
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2 ein
Beispiel für
eine erste mögliche
Zugriffsart der vorliegenden Greifvorrichtung;
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3 ein
Beispiel für
eine zweite mögliche
Zugriffsart der vorliegenden Greifvorrichtung; und
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4 ein
Beispiel für
eine dritte mögliche
Zugriffsart der vorliegenden Greifvorrichtung.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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In 1 wird
ein Überblick über Verstellmöglichkeiten
der Greifelemente der vorliegenden Greifvorrichtung gegeben. Im
rechten Teil der Figur ist hierbei die Anordnung aus erstem Greifelement 1,
zweitem Greifelement 2 und drittem Greifelement 3 schematisch
dargestellt. Erstes und zweites Greifelement 1, 2 werden
im Folgenden auch als Finger, das dritte Greifelement 3 als
Daumen bezeichnet. Die beiden Finger 1, 2 sind
nebeneinander angeordnet, der Daumen 3 sitzt den Fingern
gegenüber.
Die beiden Finger 1, 2 sind jeweils um eine Querachse 10, 12 in
Richtung auf die Seite des Daumens 3 schwenkbar ausgebildet.
Beide Finger 1, 2 können um ihre Querachse 10, 12 unabhängig voneinander
in dieser Richtung geschwenkt werden. Die Schwenkrichtung ist mit
den durchgezogenen Pfeilen angedeutet. Weiterhin können die
Querachsen 10, 12 beider Finger 1, 2 synchron
und gegensinnig um die Hochachse 11, 13 der Finger 1, 2 geschwenkt
werden. Diese synchrone gegensinnige Schwenkbewegung ist mit den
beiden gekrümmten
Pfeilen veranschaulicht. Durch die Schwenkbewegung um die Hochachsen ändert sich
auch die Schwenkrichtung der Finger 1, 2 um ihre
Querachsen 10, 12 entsprechend der gestrichelten
Pfeildarstellung.
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Der
Daumen 3 ist über
ein Langloch parallel zur Verbindungslinie zwischen den beiden Fingern 1, 2 zwischen
zwei Endlagen des Langloches verschiebbar, wie mit dem Verschiebepfeil 14 angedeutet.
Die beiden Endlagen legen zum einen eine mittige Position zwischen
den Hochachsen der Finger 1, 2, zum anderen eine Position
gegenüber
der Hochachse 13 des zweiten Fingers 2 fest.
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Zur
Ausführung
der einzelnen Verstellbewegungen sind zwei programmierbare Elektromotoren 4, 7 vorgesehen,
die jeweils zwei Drehbereiche 5, 6 bzw. 8, 9 aufweisen.
Die beiden Motoren 4, 7 mit den jeweiligen Drehbereichen
sind im rechten Teil der 1 angedeutet. Bei Bewegung des
ersten Motors 4 im ersten Drehbereich 5 schwenkt
der erste Finger 1 um seine Querachse 10. Je nach
Drehrichtung des Motors 4 öffnet oder schließt dieser
Finger 1. Wird der Motor im zweiten Drehbereich 6 betrieben,
so wird die gegensinnige Bewegung der beiden Finger 1, 2 um
ihre Hochachsen 11, 13 erzeugt.
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Bei
Ansteuern des zweiten Motors 7 bewegt dieser im ersten
Drehbereich 8 den zweiten Finger 2 in gleicher
Weise wie der erste Motor 4 im ersten Drehbereich 5 den
ersten Finger 1. Wird der zweite Motor 7 im zweiten
Drehbereich betrieben, so bewegt er den Daumen 3 in Verschieberichtung 14 zwischen
den beiden Endpositionen. Die Schwenk- oder Verschieberichtung der
einzelnen Greifelemente hängt
dabei jeweils von der momentanen Drehrichtung der Motoren 4, 7 ab.
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Drei
unterschiedliche Zugriffsarten, die mit der vorliegenden Greifvorrichtung
realisierbar sind, können den
folgenden drei Figuren entnommen werden. Diese Figuren zeigen jeweils
im rechten Teil die Anfangs- und Endstellung der einzelnen Greifelemente
in perspektivischer Ansicht sowie in Draufsicht. In dieser Darstellung sind
die Greifelemente 1 bis 3 jeweils auf einer entsprechenden
Trägerplattform 15 befestigt.
Unter dieser Trägerplattform
sind die Motoren 4, 7 erkennbar. Ebenso zeigt
diese Darstellung das Langloch 16 für die Verschiebung des Daumens 3.
Die einzelnen Greifelemente sind in diesem Beispiel starr ausgebildet.
Im linken Teil der Figuren sind jeweils in Draufsicht stark schematisiert
die drei Greifelemente, die beiden Finger 1, 2 sowie
der Daumen 3, in ihren jeweiligen Ausgangspositionen zu
erkennen und die Bewegungsrichtungen durch die Pfeile angedeutet.
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2 zeigt
einen Zweifingergriff, bei dem der Daumen 3 direkt gegenüber dem
zweiten Finger 2 an einer Endposition des Langloches 16 positioniert
ist. Die Orientierung der beiden Finger 1, 2 bezüglich ihrer Hochachse
wird derart eingestellt, dass der zweite Finger 2 eine
Greifbewegung in Richtung des Daumens 3 ausführt. Bei
dieser Zugriffsart lässt
sich somit mit Daumen 3 und einem Finger 2 ein
Gegenstand greifen.
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3 zeigt
ein weiteres Beispiel, bei dem ein Dreipunkt-Parallelgriff angewendet
wird. Der Daumen 3 steht hierbei auf einer Endposition
mittig zwischen den beiden Fingern 1 und 2. Die
Orientierung der Finger 1, 2 bezüglich ihrer
Hochachsen 11, 13 wird derart eingestellt, dass
die anschließende
Schwenkbewegung um ihre Querachsen 10, 12 richtungsparallel
erfolgt, wie dies in der Figur mit den Pfeilen angedeutet ist.
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Schließlich zeigt 4 ein
drittes Beispiel für
eine Zugriffsart, einem zentrischen Dreipunkt-Griff. Der Daumen 3 steht
hierbei wiederum mittig in einer Endposition zwischen dem Finger 1 und 2.
Die Orientierung der Finger 1, 2 bezüglich ihrer
Hochachse wird in diesem Beispiel derart eingestellt, dass sie ihre
Schwenk- bzw. Greifbewegung beide zentrisch in Richtung des Daumens 3 ausführen. Dies
ist wiederum anhand der Pfeile in der 4 erkennbar.
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Die
Einstellung der Orientierungen der Finger 1, 2 um
ihre Hochachse sowie der jeweiligen Position des Daumens 3 erfolgt über die
beiden Motoren 4, 7, wie dies im Zusammenhang
mit der 1 bereits erläutert wurde.
Bei dieser Einstellung werden die Motoren 4, 7 in
den zweiten Drehbereichen 6, 9 betrieben. Anschließend drehen
die Motoren 4, 7 in die ersten Drehbereiche 5 bzw. 8,
um die gewünschten
Schwenkbewegungen der beiden Finger 1, 2 um ihre
Querachsen vorzunehmen. Über
eine Auswertung der Motorströme können in
diesen Drehbereichen auch Rückschlüsse auf
die Greifkraft gezogen werden.
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