DE102004034537B3

DE102004034537B3 - Greifer zum Ergreifen von Gegenständen

Info

Publication number: DE102004034537B3
Application number: DE200410034537
Authority: DE
Inventors: Gebhard Munz
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2024-07-17

Abstract

Es wird ein Greifer zum Ergreifen von Gegenständen vorgeschlagen, der mehrere Greifarme (42) aufweist, die jeweils einen elektrisch aktivierbaren länglichen Biegeaktor (4) aufweisen. Die Biegeaktoren (4) sind einenends über einen Befestigungsabschnitt an einem Halter (41) fixiert, wobei von dem Befestigungsabschnitt ein eine Greiffläche (45) tragender Arbeitsabschnitt (7) wegragt, der durch Aktivierung des jeweiligen Biegeaktors (4) quer zu dessen Längsrichtung auslenkbar ist, um die zugeordnete Greiffläche (45) zu positionieren. Im Bereich ihres Arbeitsabschnittes (7) sind die Biegeaktoren (4) sämtlicher Greifarme mit mindestens einer zur Erfassung der Längsdehnung geeigneten Sensoreinrichtung (23) bestückt. Auf diese Weise ist beispielsweise eine positions- und/oder kraftgeregelte Auslenkung der Greifarme (42) möglich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Greifer zum Ergreifen von Gegenständen, mit mehreren Greifarmen, die jeweils einen elektrisch aktivierbaren länglichen Biegeaktor aufweisen, der mit einem einenends vorgesehenen Befestigungsabschnitt an einer Halterung fixiert ist und von dem Befestigungsabschnitt mit einem eine Greiffläche tragenden Arbeitsabschnitt wegragt, der durch Aktivierung des Biegeaktors quer zur Längsrichtung des Biegeaktors auslenkbar ist, um die Greiffläche zu positionieren.

Ein aus der US 4610475 bekannter Greifer dieser Art verfügt über zwei im Ausgangszustand zueinander parallele Greifarme, die jeweils einen Biegeaktor in Gestalt eines Piezo-Biegewandlers aufweisen, der einenends einen in einer Halterung eingespannten Befestigungsabschnitt aufweist und andernends mit einer Greiffläche versehen ist. Die Greifflächen der Greifarme sind einander zugewandt und können durch Aktivierung der Biegeaktoren, infolge der daraus resultierenden Auslenkung des Arbeitsabschnittes, einander angenähert bzw. voneinander entfernt werden, um einen handzuhabenden Gegenstand nach Bedarf zu ergreifen oder loszulassen. Derartige Greifer eignen sich aufgrund der relativ geringen Auslenkungen der Biegewandler vor allem für feinfühlige, hohe Präzision erfordernde Handhabungsaufgaben im Mikrobereich. Gerade wegen der minimalen Auslenkungen ist jedoch für sehr präzise Positionieraufgaben, beispielsweise bei der Bestückung von Platinen mit elektronischen Kleinstbauteilen, eine externe Überwachung angeraten. Dies verteuert den Einsatz eines solchen Greifers.

Die DE 33 32 147 A1 beschreibt eine Greiferanordnung mit motorisch verstellbaren Greifbacken, die an den zum Halten eines Werkstückes dienenden Enden mit Sensoren bestückt sind, durch die sich die von den Greifbacken auf das Werkstück ausgeübte Kraft detektieren lässt. Die Sensoren können mit Dehnungsmeßstreifen ausgestattet sein, die bei Auftreten einer Biegebeanspruchung ein von einem Regelbaustein auswertbares Signal ausgeben.

Aus der US-PS 3 824 674 ist eine Montagevorrichtung bekannt, die einen federnd aufgehängten Greifer aufweist. Die Aufhängungsfedern sind mit Dehnungsmeßstreifen bestückt, um abhängig von der detektierten Verformung eine Regelung des Betriebsverhaltens zu ermöglichen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Greifer der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit einfachen Mitteln eine Erfassung des Betriebsverhaltens des Greifers ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass die Biegeaktoren der Greifarme im Bereich ihres Arbeitsabschnittes jeweils mit mindestens einer zur Erfassung der Längsdehnung geeigneten Sensoreinrichtung bestückt sind.

Auf diese Weise ist eine Funktions- und Betriebsüberwachung des Greifers dadurch möglich, dass eine Überwachung und/oder Rückmeldung des Betriebsverhaltens jedes einzelnen Biegeaktors erfolgt, und zwar mittels unmittelbar an Bord der Biegeaktoren befindlicher Sensoreinrichtungen, sodass auf eine aufwendige externe Sensorik verzichtet werden kann. Zweckmäßigerweise können die Sensoreinrichtungen gemeinsam an eine elektronische Steuereinrichtung angeschlossen werden, die die erhaltenen Dehnungssignale auswertet, um darauf basierend eine positions- und/oder kraftgeregelte Aktivierung der einzelnen Biegeaktoren unabhängig voneinander durchzuführen.

Es können Biegeaktoren eingesetzt werden, deren Arbeitsabschnitte in nur einer Richtung oder in zwei einander entgegengesetzte Richtungen aktiv auslenkbar sind.

Wenn auf Basis der Dehnungssignale nicht nur auf den Hub bzw. die Auslenkung der Greiffläche geschlossen werden kann, sondern auch auf die durch diese auf einen zu ergreifenden Gegenstand ausgeübte Kraft, können selbst extrem druckempfindliche Bauteile sicher mit Hilfe des Greifers gehandhabt werden.

Zwar ist es aus der WO 01/89004 A1 bereits bekannt, Piezo-Biegewandler mit einer integrierten Sensorik auszustatten. Ein Einsatz im Zusammenhang mit einem Greifer und hierbei insbesondere ein Mehrfacheinsatz von mit Sensormitteln ausgestatteten, aufeinander abgestimmt aktivierbaren Biegewandlern ist allerdings nicht vorgesehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bevorzugt ist der Greifer als Zweiarmgreifer mit zwei Greifarmen oder als Dreiarmgreifer mit drei Greifarmen ausgestaltet. Vor allem Letzteres ermöglicht bei entsprechender individueller Ansteuerung der Biegeaktoren eine Verlagerung des jeweils ergriffenen Gegenstandes in einer Ebene quer zur Längsachse der Biegeaktoren, ohne dass hierzu eine Lageveränderung der eingespannten Befestigungsabschnitte erforderlich wäre.

Um eine Kombination von Grob- und Feinpositionierung zu ermöglichen, können die Greifarme voneinander unabhängig an individuellen Haltern fixiert sein, die relativ zueinander, insbesondere linear oder rotativ, verstellbar sind. Somit kann durch Grobpositionierung der Halter, beispielsweise mechanisch, elektrisch und/oder pneumatisch, eine Grobanpassung des Abstandes zwischen den Greifflächen an die Abmessungen des zu ergreifenden Gegenstandes vorgenommen werden, während die Biegeaktoren letztlich nurmehr für den letzten Anteil des Greifhubes zuständig sind.

Beim Einsatz der Sensoreinrichtungen können unter Umständen Probleme insofern auftreten, als vor allem piezokeramische Biegewandler aufgrund der piezokeramischen Eigenschaften Hysterese- und Drifteffekte besitzen. Die Hysterese bedingt, dass bei Anliegen einer bestimmten Betriebsspannung in Abhängigkeit von der vorausgegangenen Betriebshistorie unterschiedliche Auslenkungen des Biegeaktors möglich sind. Hinzu kommen vor allem mechanische und thermische Drifteffekte, die sich überlagern und in zeitlicher Betrachtung eine Änderung der Biegung und Auslenkung zur Folge haben. Darüber hinaus führen unterschiedliche externe Kräfte, welche auf den Biegeaktor einwirken, ebenfalls zu unterschiedlichsten Biegungen und Auslenkungen. So können beispielsweise, um abwechselnd unterschiedlich schwere Gegenstände ergreifen zu können, unterschiedlich hohe Greif- bzw. Stellkräfte erforderlich sein, die dann, trotz gleicher Auslenkung, unterschiedliche Biegeverformungen des Biegeaktors zur Folge haben.

Um eine besonders exakte Erfassung des Betriebsverhaltens jedes einzelnen Biegeaktors zu ermöglichen, sind die Sensoreinrichtungen daher vorzugsweise jeweils direkt an einer Stelle und/oder in Längsrichtung symmetrisch beidseits einer Stelle am Arbeitsabschnitt platziert, an der bei gegen einen im Auslenkweg angeordneten Widerstand drückender Greiffläche eine von der Stellkraft unabhängige, konstante Längsdehnung vorliegt.

Berechnungen haben ergeben, dass der Arbeitsabschnitt eines Biegeaktors eine in Längsrichtung zum Befestigungsabschnitt beabstandete Stelle aufweist, an der die auftretende Längsdehnung unabhängig davon konstant bleibt, mit welcher Kraft der aktivierte Arbeitsabschnitt gegen einen in seinem Auslenkweg platzierten Widerstand gedrückt wird, also gegen den zu ergreifenden Gegenstand. Wie an den anderen Stellen steigt zwar auch bei dieser speziellen Stelle die Dehnung zunächst an, wenn der Arbeitsabschnitt, ohne auf einen Widerstand bzw. Gegenstand zu treffen, durch entsprechende Aktivierung mehr und mehr ausgelenkt wird. Sobald der Arbeitsabschnitt jedoch auf einen Widerstand trifft, ändert sich die Längsdehnung an der fraglichen Stelle nicht mehr, auch wenn die interne Stellkraft des Biegeaktors weiter erhöht wird. Der konstante Dehnungswert ist ein spezifischer Wert des betreffenden Biegeaktors, der auch von der Betriebshistorie nicht beeinflusst wird.

Idealerweise würde die Sensoreinrichtung direkt und ausschließlich an der Stelle der konstanten Längsdehnung plat ziert werden. Da es jedoch konstruktiv sehr schwierig ist, eine entsprechend miniaturisierte Sensoreinrichtung bereitzustellen, wird die Sensoreinrichtung in der Regel so angeordnet sein, dass sie in der Längsrichtung des Biegeaktors symmetrisch zu beiden Seiten der Stelle konstanter Längsdehnung platziert ist, wobei sie an der Stelle konstanter Längsdehnung entweder durchgehend ausgebildet ist oder auch unterbrochen sein kann. Es kann dann eine Integration bzw. Summenbildung über die Messstreckenlängen beidseits der Stelle konstanter Längsdehnung erfolgen, wobei sich über die Gesamtsumme die Auslenkung des Biegeaktors unabhängig von der herrschenden Stellkraft ermitteln lässt und wobei ferner die Möglichkeit besteht, durch Subtraktion der beiden Teildehnungsintegrale die aktuell herrschende Stellkraft zu ermitteln. Auf Basis der Erfindung können Biegeaktoren im Closed-Loop-Betrieb, unabhängig von externen Kräften, exakt positioniert werden. Darüber hinaus ist die Auslenkung des Arbeitsabschnittes und mithin der Greiffläche und auch die externe Kraft messbar.

Bevorzugt sind die Sensoreinrichtungen jeweils an einer der beiden in der Auslenkungsrichtung orientierten Oberflächen des Arbeitsabschnittes des betreffenden Biegeaktors platziert.

Um ein mehrfaches Sensorsignal und damit eine höhere Genauigkeit zu erzielen, können gleichzeitig mehrere Sensoreinrichtungen pro Biegeaktor vorgesehen sein, die insbesondere, bezogen auf die Dickenrichtung des Biegeaktors, in unterschiedlichen Ebenen platziert sind und die sich vorzugsweise an beiden einander entgegengesetzten, in der Auslenkungsrichtung orientierten Oberflächen des Biegeaktors befinden.

Wie schon angedeutet, kann sich die Sensoreinrichtung durchgehend, ohne Unterbrechung, über die Stelle konstanter Längsdehnung hinweg erstrecken. Möglich ist allerdings auch eine Bauform, bei der die Sensoreinrichtung im Bereich der Stelle konstanter Längsdehnung unterbrochen ist und sich insbesondere aus zwei Sensoreinrichtungsteilen zusammensetzt, die in Längsrichtung des Biegeaktors mit Abstand zueinander angeordnet sein können. Der Abstand der beiden Sensoreinrichtungsteile von der Stelle konstanter Längsdehnung ist gleichgroß, und auch die wirksamen Längen der beiden Sensoreinrichtungsteile entsprechen sich.

Die Sensoreinrichtungen basieren beispielsweise auf kapazitivem Messprinzip, können aber auch auf einem ohmschen Widerstandsmessprinzip basieren. Bevorzugt kommen Dehnungsmessstreifen zum Einsatz.

Die einzelnen Greifarme können so ausgeführt sein, dass ihr Biegeaktor mit dem Befestigungsabschnitt in einem Befestigungskopf fixiert ist, der über eine kombinierte mechanische und elektrische Schnittstelle verfügt, mit der er an der zugeordneten Halterung montiert werden kann.

Um die durch den Greifer anzusteuernde Position, an der ein ergriffener Gegenstand abgesetzt werden soll, sicher zu erfassen, kann der Greifer mit einer opto-elektronischen Positioniereinrichtung ausgestattet sein, die bevorzugt über ein optisches Bildverarbeitungssystem verfügt. Die optische Achse kann hier direkt mittig durch den Greifer geführt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Greifers bei in Grundstellung befindlichen Greifarmen vor dem Erfassen eines zwischen die Greifflächen ragenden Gegenstandes,
2 die Anordnung aus 1 bei in der Arbeitsstellung befindlichen Greifarmen, wobei diese ausgelenkt sind und einen umzupositionierenden Gegenstand erfasst haben,
3 die Anordnung aus 2 mit individuell veränderten, gleichwohl jedoch aufeinander abgestimmten Arbeitsstellungen der Greifarme zwecks Veränderung der Position des Gegenstandes,
4 einen vergrößerten Ausschnitt des Greifers im Bereich eines Greifarmes, in Verbindung mit einem Diagramm, das den über der wirksamen Länge L aufgetragenen Verlauf der Längsdehnung e zeigt, und
5a–5e die spannungsabhängige Kennlinie des Biegewandlers gemäß 4 mit der Längsdehnung e als Funktion der wirksamen Biegeaktorlänge L, wobei schraffiert das Integral über die Messstreckenlänge der Sensoreinrichtung symmetrisch zur Stelle konstanter Längsdehnung aufgezeigt ist.
Der in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 versehene Greifer 40 verfügt über einen Halter 41, der mit mehreren Greifarmen 42 bestückt ist. Exemplarisch ist ein Dreiarmgreifer mit insgesamt drei Greifarmen 42 gezeigt, die mit Winkelabständen von 120° entlang einer Kreislinie verteilt angeordnet sind. Die Greifarme haben längliche Gestalt und sind einenends, zweckmäßigerweise mittels eines aus 4 ersichtlichen Befestigungskopfes 43, einzeln an dem Halter 41 fixiert, während sie andernends mit einem Greifkopf 44 bestückt sind, der mit einer individuell gestalteten Greiffläche 45 ausgestattet ist.
Der Halter 41 besitzt Befestigungsmittel 46 zur Befestigung an einer nicht näher dargestellten Positioniereinheit, mit der der Greifer 40 entsprechend der auszuübenden Handhabungsaufgabe im Raum verlagerbar ist. Die Positioniereinheit ist beispielsweise ein mehrachsiger Linearantrieb.
Die Greifarme 42 werden elektrisch aktiviert. Eine am Halter 41 vorgesehene zentrale elektrische Schnittstelle 47 ermöglicht die Verbindung zu einer nur schematisch angedeuteten elektronischen Steuereinrichtung 48.
Der Greifer 40 eignet sich, um Gegenstände 52, von denen einer exemplarisch abgebildet ist, zum Zwecke einer Umpositionierung zu ergreifen und nach der erfolgten Umpositionierung wieder loszulassen. Hierbei werden die Greifflächen 45 quer zur Längsachse 53 des jeweils zugeordneten Greifarmes 42 ausgelenkt. Die Auslenkbewegung ist durch Doppelpfeile bei 54 angedeutet.
Bei dem beispielsgemäßen Dreiarmgreifer verlaufen die Auslenkbewegungen 54 der drei Greifarme 42 in um jeweils 120° zueinander versetzten Auslenkebenen. Bei einem nur zwei Greifarme 42 aufweisenden Greifer wäre die Anordnung so getroffen, dass die Auslenkebenen der dann vorhandenen zwei Greifflächen 45 zusammenfallen.
Jeder Greifarm 42 verfügt über einen längliche Gestalt aufweisenden Biegeaktor 4 mit leisten- oder balkenähnlicher Gestaltung. Seine Breite B ist in der Regel größer als seine Dicke D.
Einer der beiden axial orientierten Endbereiche des jeweiligen Biegeaktors 4 bildet einen Befestigungsabschnitt 5, der zur ortsfesten Fixierung an der Halterung 41 dient. Schematisch ist angedeutet, wie der Befestigungsabschnitt 5 in den schon erwähnten Befestigungskopf 43 fest eingespannt ist, sodass er bezüglich des Befestigungskopfs 43 und mithin auch gegenüber dem Halter 41 nicht verschwenkbar ist.
Der Befestigungskopf 43 ist mit einer Montagefläche 55 an eine daran angepasste Gegenfläche des Halters 41 angesetzt und mittels einer mechanischen Schnittstelle 56 lösbar fixiert. Der mechanischen Schnittstelle 56 können insbesondere Befestigungsschrauben 57 zugeordnet sein.
Von dem Befestigungsabschnitt 5 ragt ein frei endender Arbeitsabschnitt 7 des Biegeaktors 4 weg. Dessen dem Befestigungsabschnitt 5 entgegengesetzter Endbereich bildet einen Tragabschnitt 8, der den Greifkopf 44 und mithin die Greiffläche 45 trägt.
Bei dem Biegeaktor 4 handelt es sich um ein Bauteil, dessen Arbeitsabschnitt 7 durch entsprechende Aktivierung eine Biegung erfährt und dadurch quer zu der beim Ausführungsbeispiel mit der Längsachse 53 des betreffenden Greifarmes 42 zusammenfallenden Längsachse 12 des Biegeaktors 4 auslenkbar ist. Die Auslenkbewegung ist durch einen Doppelpfeil bei 13 angedeutet. Die beiden größerflächigen längsseitigen Oberflächen des im Querschnitt bevorzugt rechteckförmig gestalteten Biegeaktors 4 sind in der Richtung der Auslenkbewegung 13 orientiert und beim Ausführungsbeispiel, lediglich zur besseren Unterscheidung, als äußere und innere Oberflächen 14, 15 bezeichnet.
Die Biegeaktoren könnten beispielsweise als Bimetall- oder Memorymetall-Biegeaktoren ausgeführt sein. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich allerdings um Piezo-Biegewandler, die unter Verwendung einer handelsüblichen Piezokeramik oder sonstiger geeigneter piezoelektrischer Materialien aufgebaut sind.
Im deaktivierten Ausgangszustand nimmt der jeweilige Biegeaktor 4 die in 4 in durchgezogenen Linien gezeigte Strecklage mit linearer Ausdehnung ein. Durch Anlegen einer Be triebsspannung über schematisch angedeutete Zuleitungsmittel 16 kann eine Auslenkung des Arbeitsabschnittes 7 hervorgerufen werden, sodass die von ihm getragene Greiffläche 45 in Richtung zu dem zu ergreifenden Gegenstand 52 verschwenkt wird, der zuvor im Auslenkweg der Greiffläche 45 positioniert wurde. Dabei bildet der Gegenstand 52 einen im Auslenkweg der Greiffläche 45 liegenden Widerstand, an den die Greiffläche 45 angedrückt wird, um die notwendige Haltekraft auf den Gegenstand 52 auszuüben. Dieser Zustand entspricht der Arbeitsstellung der einzelnen Greifarme 42 und ist in 2 angedeutet.
Im deaktivierten Zustand der Biegeaktoren 4 sind die Greifflächen 45 vom Gegenstand 52 abgehoben, und die Greifarme 42 nehmen die aus 1 ersichtliche Grundstellung ein.
Die Biegeaktoren 4 sind im Bereich ihres Arbeitsabschnittes 7 mit einer beim Ausführungsbeispiel unmittelbar an der äußeren Oberfläche 14 angebrachten Sensoreinrichtung 23 ausgestattet. Diese ist, wie die piezoelektrisch aktiven Schichten des Biegeaktors 4, über die Zuleitungsmittel 16 an die elektronische Steuereinrichtung 48 angeschlossen, die unter anderem mit elektronischen Auswertemitteln 25 ausgestattet ist. Die Steuereinrichtung 48 übernimmt die individuelle, bedarfsgemäß aufeinander abgestimmte Ansteuerung der einzelnen Biegeaktoren 4 mit der gewünschten Betriebsspannung. Anhand der Sensoreinrichtung 23 lässt sich die momentane Auslenkung des Arbeitsabschnittes 7 und mithin der von diesem getragenen Greiffläche 45 erfassen, wobei insbesondere die Möglichkeit besteht, das Erreichen der an dem Gegenstand 52 anliegenden Endstellung zu detektieren, und zwar unabhängig von der Stellkraft, mit der der Arbeitsabschnitt 7 bzw. die Greiffläche 45 gegen den als Widerstand fungierenden Gegenstand 52 andrückt.
Die Sensoreinrichtung 23 eines jeden Biegeaktors 4 ist ausgebildet, um die Längsdehnung seines Arbeitsabschnittes 7 in dem mit ihr bestückten Bereich zu erfassen. Die erfasste Dehnung ist ein Maß für die aktuelle Auslenkung des Biegeaktors 4.
Betrachtet man die zwischen dem Befestigungsabschnitt 5 und dem Tragabschnitt 8 gemessene wirksame Biegeaktorlänge, so nimmt zwar mit zunehmender Betätigungsspannung und folglich mit zunehmender Auslenkung die Längsdehnung zu, ist jedoch jeweils über die gesamte wirksame Biegeaktorlänge hinweg konstant, solange die Greiffläche 45 noch nicht auf den Widerstand bzw. Gegenstand 52 getroffen ist. In 5a, 5b und 5c wird dieser Umstand durch die zunehmend höher liegende horizontale Kennlinie K deutlich. In 5c, wie auch in dem Diagramm der 4, vermittelt die Kennlinie K den Zustand praktisch unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Gegenstand 52.
Entsprechend einer zuvor vorgenommenen Kalibrierung kann somit anhand der durch die Sensoreinrichtungen 23 ermittelten momentanen Dehnung das Maß der momentanen Auslenkung der Arbeitsabschnitte 7 und somit die Relativposition zwischen der Greiffläche 45 und dem handzuhabenden Gegenstand 52 ermittelt werden.
Eine besondere Problematik ergibt sich jedoch durch den Umstand, dass die Längsdehnung des Arbeitsabschnittes 7 ab dem Moment, in dem die Greiffläche 45 auf den Gegenstand 52 trifft, über die wirksame Biegeaktorlänge hinweg keine Konstante mehr darstellt. Die Längsdehnung variiert insbesondere in Abhängigkeit von der Stellkraft, mit der der Arbeitsabschnitt 7 durch entsprechende Spannungsanlegung gegen den Gegenstand 52 vorgespannt wird. Diese Stellkraft kann im Betrieb des Greifers variieren, insbesondere aufgrund der Notwendigkeit, unterschiedlich schwere Gegenstände festhalten und hochheben zu können. Entsprechend dem jeweiligen Belastungsfall ergeben sich stellkraftabhängig unterschiedlich stark gekrümmte Biegelinien des Biegeaktors 4, wobei in 4 bei BL1 und BL2 zwei solcher möglichen Biegelinien angedeutet sind. Die ebenfalls eingezeichnete Biegelinie BL3 repräsentiert schematisch eine Gestalt des Biegeaktors 4 im zwar ausgelenkten, aber noch nicht gegen den Gegenstand 52 vorgespannten Zustand.
Wie bei Berechnungen festgestellt wurde, verfügt der Biegeaktor 4 über eine ganz bestimmte Stelle, an der die Längsdehnung unabhängig davon konstant bleibt, mit welcher Stellkraft der Arbeitsabschnitt 7 gegen den Gegenstand 52 drückt. Diese als Stelle konstanter Längsdehnung 27 bezeichnete Stelle liegt in Richtung der Längsachse 12 zwischen dem Befestigungsabschnitt 5 und dem Tragabschnitt 8, wobei sie zu beiden Abschnitten beabstandet ist. Beim Ausführungsbeispiel wird die wirksame Biegeaktorlänge durch die Stelle konstanter Längsdehnung 27 im Verhältnis 1/3 : 2/3 unterteilt, wobei der kürzere Abstand dem Befestigungsabschnitt 5 zugeordnet ist. Die Stelle konstanter Längsdehnung 27 kann beispielsweise unter Einsatz Finiter Elemente Methoden berechnet werden.
Die vorstehend geschilderte Erkenntnis wird beim Ausführungsbeispiel bei der Platzierung der Sensoreinrichtung 23 am jeweiligen Biegeaktor 4 ausgenutzt. Demnach sitzt die Sensoreinrichtung 23 an der Stelle konstanter Längsdehnung 27 und/oder in Längsrichtung symmetrisch beidseits dieser Stelle.
Idealerweise würde man die Sensoreinrichtung 23 auf die Stelle konstanter Längsdehnung 27 konzentrieren. Da diese Stelle jedoch punkt- oder linienförmig und somit in Richtung der Längsachse 12 sehr schmal ist, bedürfte es sehr kleiner und teurer Sensorstrukturen. Man verwendet daher zweckmäßigerweise eine Bauform, bei der sich Bestandteile der Sensoreinrichtung 23 in symmetrischer Verteilung in Richtung der Längsachse 12 beidseits der Stelle konstanter Längsdehnung 27 befinden.
Möglich wäre eine Anordnung, bei der sich die Sensoreinrichtung 23 durchgehend über die Stelle konstanter Längsdehnung 27 hinweg erstreckt, sodass sie mit einem mittleren Abschnitt direkt an dieser Stelle konstanter Längsdehnung liegt und zusätzlich mit zwei Sensorabschnitten, die über die gleiche Länge verfügen, in Richtung der Längsachse 12 beidseits der Stelle konstanter Längsdehnung 27 in symmetrischer Weise zu liegen kommt. Bei der Dehnungsmessung neutralisieren sich die symmetrisch beidseits der Stelle konstanter Längsdehnung 27 gemessenen Dehnungsanteile, sodass letztlich die an der fraglichen Stelle 27 aktuell herrschende Längsdehnung erfassbar ist.
Beim Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinrichtung 23 so ausgebildet, dass sie im Bereich der Stelle konstanter Längsdehnung 27 eine Unterbrechung aufweist. In diesem Fall verfügt sie beispielsweise über zwei mit gleichem Abstand symmetrisch beidseits der Stelle konstanter Längsdehnung 27 platzierte Sensoreinrichtungsteile 32a, 32b.
Möglich wäre auch eine durchgehende Sensoreinrichtung, bei der nach Art eines Spannungsteilers ein Mittenabgriff erfolgt.
Die Sensoreinrichtungen 23 können in jeder geeigneten Bauart ausgeführt sein, die es ermöglicht, die Längsdehnung des Arbeitsabschnittes 7 an der mit ihr bestückten Stelle zu erfassen. In der Regel wird es sich um eine Sensoreinrichtung 23 handeln, die auf kapazitivem oder ohmschem Messprinzip basiert. Vorteilhaft ist insbesondere die Ausgestaltung als Dehnmessstreifen.
Wie in 4 strichpunktiert angedeutet ist, kann die Sensoreinrichtung 23 bei einem oder mehreren Greifarmen 42 alternativ oder zusätzlich auch an der inneren Oberfläche 15 des Arbeitsabschnittes 7 platziert sein. Durch die Mehrfachanordung in Dickenrichtung D beabstandeter Ebenen erhält man ein sich positiv auf die Präzision auswirkendes mehrfaches Sensorsignal.
Anstatt die Sensoreinrichtung 23 auf die Oberfläche des Arbeitsabschnittes 7 aufzusetzen – die Befestigung kann beispielsweise durch eine Klebeverbindung erfolgen -, wäre auch eine komplette oder teilweise Integration einer oder mehrerer Sensoreinrichtungen 23 in das Material des Biegeaktors 4 und/oder, bei einem Schichtaufbau desselben, zwischen die einzelnen Biegeaktorschichten möglich. Allerdings ist darauf zu achten, dass die eine oder mehreren Sensoreinrichtungen mit Abstand zur neutralen Faser des Biegeaktors 4 platziert werden, in der keinerlei Längsdehnung auftritt. In diesem Zusammenhang hat die Platzierung an der Außenoberfläche 14, 15 des Biegeaktors 4 den Vorteil, dass hier der Abstand zur neutralen Faser relativ groß ist und somit genaue Messergebnisse erzielt werden können.
Zurückkommend auf das Diagramm der 4, sind dort strichpunktiert die den Biegelinien BL1 und BL2 entsprechenden Kennlinien K1 und K2 dargestellt, bei denen es sich um Geraden handelt, die über unterschiedliche Steigungen verfügen, die jedoch beide in einem gemeinsamen Punkt 33 mit der horizontalen Kennlinie K zusammentreffen. Der gemeinsame Punkt 33 gibt die Längsdehnung e_K an der Stelle konstanter Längsdehnung 27 wieder.
Mit gleichem Abstand beidseits des gemeinsamen Punktes 33 eingezeichnete vertikale Linien bilden Begrenzungslinien 34a, 34b, durch die die axial orientierten Enden der Sensoreinrichtung 23 markiert sind. Der zwischen diesen Begrenzungslinien 34a, 34b liegende Längenabschnitt LS gibt die Länge der Sensoreinrichtung 23 zwischen den einander entgegengesetzten äußeren Enden wieder.
Bei einem typischen Einsatzfall des Greifers 1 wird zunächst, im Rahmen von Berechnungen oder Versuchen, der Wert der konstanten Längsdehnung e_K ermittelt. Diese Ermittlung geschieht zweckmäßigerweise durch Berechnung des Integrals unter den Kennlinien K1 und/oder K2 und/oder einer anderen der im Belastungsfall auftretenden Kennlinien, und zwar über die Länge der Sensoreinrichtung LS. In 4 ist exemplarisch das unter der Kennlinie K2 gebildete Integral durch eine Schraffur angedeutet.
Bei Aktivierung des Biegeaktors 4 wird durch die Auswertemittel 25, die über entsprechende Integriermittel 26 verfügen, das Integral unter der momentanen Kennlinie zwischen den beiden Begrenzungslinien 34a, 34b ermittelt. Gemäß 5a–5c ergibt sich eine Vergrößerung dieses Integrals mit zunehmender Betätigungsspannung und entsprechender Auslenkung des Arbeitsabschnittes 7. Die ermittelten Werte werden dann durch ebenfalls zu den Auswertemitteln 25 gehörende Vergleichermittel 30 mit dem durch die vorherige Kalibrierung ermittelten Sollwert des Integrals verglichen, der derjenigen Auslenkung entspricht, bei der der Arbeitsabschnitt 7 mit mehr oder weniger großer Kraft an den Gegenstand 52 angedrückt wird.
Um den Arbeitsabschnitt 7 so weit auszulenken, dass die zugeordnete Greiffläche 45 am Gegenstand 52 anliegt, wird die Betätigungsspannung über die Zuleitungsmittel 16 so lange erhöht, bis das gemessene Integral dem Sollwert entspricht. Da bei ist von Vorteil, dass das ermittelte Integral von der Höhe der Stellkraft unabhängig ist. Aus 5d und 5e wird deutlich, dass ab dem Moment des Anliegens der Greiffläche 45 am Gegenstand 52 bei Variationen der Betätigungsspannung und folglich der Stellkraft nurmehr die Steigung der Kennlinie variiert, ohne dass sich die Lage des Punktes 33 verändert, sodass das ermittelte Integral konstant bleibt.
Somit kann die Auslenkposition des Arbeitsabschnittes 7 und mithin der Greiffläche 45 kraftunabhängig ermittelt werden. Bei einer bestimmten Auslenkung des Arbeitsabschnittes 7 ist die ermittelte Dehnung unabhängig von der herrschenden Kraft. Es ist somit möglich, unabhängig von der aufgebrachten Stellkraft mit hoher Präzision festzustellen, wann der Biegeaktor 4 die gewünschte Auslenkung erreicht hat.
Bei der Integration macht man sich zunutze, dass sich beidseits der Stelle konstanter Längsdehnung 27 Bereiche nahezu linearer Dehnung befinden und somit präzise Aufsummierungen möglich sind.
Da sich die Sensoreinrichtung 23 beim Ausführungsbeispiel aus mehreren separaten Sensoreinrichtungsteilen 32a, 32b zusammensetzt, besteht eine sehr einfache Möglichkeit, die beidseits der Stelle konstanter Längsdehnung 27 liegenden Dehnungsteilintegrale 37a, 37b getrennt zu ermitteln. Es kann dann, durch anschließende Aufaddition der beiden Dehnungsteilintegrale 37a, 37b, die zuvor geschilderte kraftunabhängige Erfassung der Auslenkung des Biegeaktors 4 vorgenommen werden.
Darüber hinaus besteht aber auch die vorteilhafte Möglichkeit, die Dehnungsteilintegrale 37a, 37b voneinander zu subtrahieren, wobei das Resultat ein Maß für die Stellkraft ist, mit der der Biegeaktor 4 über die zugeordnete Greiffläche 45 momentan gegen den Gegenstand 52 drückt. Auf diese Weise ist ein kraftgeregeltes Ergreifen der handzuhabenden Gegenstände möglich.
Indem man die Dehnungsteilintegrale 37a, 37b durch die entsprechend ausgestalteten Auswertemittel 25 sowohl addiert als auch subtrahiert, lässt sich der betreffende Biegeaktor 4 ohne weiteres so ansteuern, dass er den Gegenstand 52 bei Erreichen der entsprechenden Auslenkung mit einer vorbestimmten Kraft beaufschlagt.
Insgesamt besteht somit die Möglichkeit, durch Dehnungsintegration über die gesamte Länge LS der Sensoreinrichtung 23 die Auslenkung bzw. den Hub des Biegeaktors 4 unabhängig von der externen Gegenkraft zu ermitteln. Des Weiteren kann durch Subtraktion der Dehnungsteilintegrale die externe Gegenkraft festgestellt werden.
Aufgrund der sich ergebenden Ansteuerungsmöglichkeiten kann ein handzuhabender Gegenstand 52 nicht nur ergriffen, sondern im ergriffenen Zustand auch noch relativ zu den unbeweglich fixierten Befestigungsabschnitten 5 quer zu den Längsachsen 53 der Greifarme 42 verlagert werden. Während also in der normalerweise angestrebten Arbeitsstellung des Greifers die Greifflächen 45 gleichmäßig gegen den zu haltenden Gegenstand 52 drücken, sodass dieser zentrisch bezüglich der Greifer-Längsachse 58 gehalten wird, kann beispielsweise auch eine veränderte Arbeitsstellung nach dem in 3 gezeigten Vorbild hervorgerufen werden, in der der Gegenstand 52 bezüglich des Halters 41 zur Seite verlagert ist, sodass sich ein Querversatz zwischen der Gegenstand-Längsachse 59 und der Greifer-Längsachse 58 ergibt. Mithin lassen sich mit dem Greifer nicht nur reine Greifaufgaben, sondern auch Positionieraufgaben bewältigen, ohne dass hierbei der die Greifarme 42 tragende Halter 41 quer zur Greifer-Längsachse 58 verlagert werden müsste. Möglich ist dies durch die individuelle, aufeinander abgestimmte Auslenkbarkeit der über die elektronische Steuereinrichtung 48 steuerungstechnisch miteinander verknüpften Biegeaktoren 4.
Zu dem schon erwähnten Befestigungskopf 43 ist noch nachzutragen, dass dieser zusätzlich zu der mechanischen Schnittstelle 56 vorzugsweise auch eine elektrische Schnittstelle 60 aufweist, über die eine Verbindung zwischen den elektrischen Zuleitungsmitteln 16 eines jeweiligen Greifarmes 42 und am oder im Halter 41 vorgesehenen elektrischen Verbindungsleitern 61 herstellbar ist, die mit der zentralen elektrischen Schnittstelle 47 in Verbindung stehen. Die elektrische Schnittstelle 60 ermöglicht zweckmäßigerweise eine Steckverbindung.
Die lösbare Verbindung zwischen den Greifarmen 42 und dem Halter 41 ermöglicht eine variable Bestückung des Halters 41 mit anwendungsspezifisch ausgestalteten Greifarmen 42.
Während bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sämtliche Greifarme 42 gemeinsam an einem Halter 41 fixiert sind und mithin ihre Befestigungsabschnitte 5 relativ zueinander stets eine konstante Lage einnehmen, sieht eine alternative Bauform vor, dass jedem Greifarm 42 ein individueller Halter zugeordnet ist, wobei diese Halter so an einer Tragstruktur gelagert sind, dass sie bezüglich dieser und relativ zueinander verstellt werden können. Es besteht auf diese Weise die Möglichkeit, durch Verlagerung der individuellen Halter eine Grobjustierung der Greifflächen 45 vorzunehmen und die Feinjustierung dann durch die Aktivierung der Biegeaktoren 4 durchzuführen.
Bei den individuell bewegbaren Haltern kann es sich beispielsweise um Greifbackenträger konventioneller, beispielsweise elektrisch oder fluidisch aktivierbarer Greifer handeln.
Zu den Greifköpfen 44 ist noch zu erwähnen, dass diese bei Bedarf auswechselbar am Tragabschnitt 8 des betreffenden Biegeaktors 4 angebracht sein können.
Damit der Greifer 1 die Absetzposition eines ergriffenen Gegenstandes mit hoher Präzision ansteuern kann, kann der Greifer mit einer lediglich schematisch angedeuteten optoelektronischen Positioniereinrichtung 62 ausgestattet sein, die über ein optisches Bildverarbeitungssystem verfügt, wobei die optische Achse direkt in Richtung der Greifer-Längsachse 58 verlaufen kann.
Mit dem vorstehend beschriebenen Greifer ist eine voneinander unabhängige Kraft- und Wegmessung der einzelnen Greifarme 42 realisierbar. Es kann sowohl eine Teileerkennung als auch eine Greifkraftregelung durchgeführt werden. Nach dem Greifen eines Gegenstandes kann selbiger mit sehr hoher Genauigkeit positioniert werden, wobei bei Bedarf eine Kombination von Grob- und Feinpositionierung möglich ist. Insgesamt hat der Greifer einen sehr kostengünstigen Aufbau und zeichnet sich durch eine sehr geringe elektrische Leistungsaufnahme beim Einsatz von Piezo-Biegewandlern als Biegeaktoren 4 aus. Bei konstanter Greifkraft ist keinerlei Leistungsaufnahme erforderlich. Die für den Betrieb eingesetzte Ansteuer- und Regelelektronik kann sehr einfach aufgebaut sein.

Claims

Greifer zum Ergreifen von Gegenständen, mit mehreren Greifarmen (42), die jeweils einen elektrisch aktivierbaren länglichen Biegeaktor (4) aufweisen, der mit einem einenends vorgesehenen Befestigungsabschnitt (5) an einem Halter (41) fixiert ist und von dem Befestigungsabschnitt (5) mit einem eine Greiffläche (45) tragenden Arbeitsabschnitt (7) wegragt, der durch Aktivierung des Biegeaktors (4) quer zur Längsrichtung (12) des Biegeaktors (4) auslenkbar ist, um die Greiffläche (45) zu positionieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeaktoren (4) der Greifarme (42) im Bereich ihres Arbeitsabschnittes (7) jeweils mit mindestens einer zur Erfassung der Längsdehnung geeigneten Sensoreinrichtung (23) bestückt sind.
Greifer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elektronische Steuereinrichtung (47), an die die Sensoreinrichtungen (23) sämtlicher Greifarme (42) angeschlossen sind und über die eine voneinander unabhängige positions- und/oder kraftgeregelte Aktivierung der Biegeaktoren (4) möglich ist.
Greifer nach Anspruch 1 oder 2, ausgestattet mit zwei Greifarmen (42), die so angeordnet sind, dass die Auslenkebenen ihrer Greifflächen (45) zusammenfallen.
Greifer nach Anspruch 1 oder 2, ausgestattet mit drei Greifarmen (42), die so angeordnet sind, dass die Auslenkebenen ihrer Greifflächen (45) unter Winkeln von 120° zueinander ausgerichtet sind.
Greifer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen (23) jeweils direkt an einer Stelle (27) und/oder in Längsrichtung symmetrisch beidseits einer Stelle (27) am Arbeitsabschnitt (7) platziert sind, an der bei gegen einen im Auslenkweg angeordneten Widerstand (52) drückender Greiffläche (45) eine von der Stellkraft unabhängige, konstante Längsdehnung vorliegt.
Greifer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen (23) an einer der in der Richtung der Auslenkbewegung orientierten Oberflächen (14, 15) des betreffenden Arbeitsabschnittes (7) platziert sind.
Greifer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem Greifarm (42) mehrere Sensoreinrichtungen (23) in unterschiedlichen Ebenen am oder im zugehörigen Biegeaktor (4) platziert sind.
Greifer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der beiden in der Richtung der Auslenkbewegung orien tierten Oberflächen (14, 15) des Arbeitsabschnittes (7) jeweils mindestens eine Sensoreinrichtung (23) platziert ist.
Greifer nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sensoreinrichtung (23) durchgehend über die Stelle konstanter Längsdehnung (27) hinweg erstreckt.
Greifer nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (23) im Bereich der Stelle konstanter Längsdehnung (27) unterbrochen ist.
Greifer nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen (23) auf kapazitivem Messprinzip basieren.
Greifer nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen (23) auf einem ohmschen Widerstandsmessprinzip basieren.
Greifer nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen (23) streifenförmig ausgebildet sind.
Greifer nach einem der Ansprüche 5 bis 13, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung der Biegeaktoren (4) als Piezo-Biegewandler, als Bimetall-Biegeaktor oder als Memorymetall-Biegeaktor.
Greifer nach einem der Ansprüche 5 bis 14, gekennzeichnet durch Auswertemittel (25) zur Ermittlung der Auslenkung und/oder der Stellkraft der Arbeitsabschnitte (7) auf Basis der mit den Sensoreinrichtungen (23) gemessenen Längsdehnung.
Greifer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel (25) Integriermittel zur Bildung des Integrals der über die Messstreckenlänge der jeweiligen Sensoreinrichtung (23) auftretenden Längsdehnung sowie Vergleichermittel zum Vergleich des ermittelten Dehnungsintegrals mit einem vorgegebenen Sollwert aufweisen.
Greifer nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel (25) ausgebildet sind, um die Dehnungsintegrale der unter den beidseits der Stelle konstanter Längsdehnung (27) liegenden Abschnitte einer jeweiligen Sensoreinrichtung (23) getrennt voneinander zu ermitteln und um die ermittelten Dehnungsintegrale zu addieren und/oder zu subtrahieren.
Greifer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Greifarm (42) ein individueller Halter (41) zugeordnet ist, wobei die Halter (41) zur Grobpositionierung der Greifarme (42) relativ zueinander verstellbar sind.
Greifer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Befestigungsabschnitt (5) in einem Befestigungskopf (43) fixiert ist, der zur Montage am zuge ordneten Halter (41) über eine mechanische und elektrische Schnittstelle (56, 60) verfügt.
Greifer nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch eine opto-elektronische Positioniereinrichtung zur Positionierung eines ergriffenen Gegenstandes.