DE102005032502B3

DE102005032502B3 - Slip sensor, for workpiece in robot gripper, has light source to provide reflection image onto sensor with predetermined threshold

Info

Publication number: DE102005032502B3
Application number: DE200510032502
Authority: DE
Inventors: Helge-Björn Dr.-Ing. Kuntze; Jürgen Prof. Dr.-Ing. Beyerer; Giulio Dr.-Ing. Milighetti; Marc Bächlin
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-07-13

Abstract

The workpiece slip sensor for a robotic gripper has a light source directed to produce a reflection on the workpiece. The reflection is picked up by a sensor head which determines the image produced and compares it to a threshold value to determine if slippage has occurred. The sensor compares its position to the position of the workpiece reflection. The robotic gripper can be a linear gripper.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum schlupfüberwachten, kraftschlüssigen Greifen, Halten und Manipulieren eines Objektes mit einer Greiferanordnung, die wenigstens zwei Greiferflächenbereiche vorsieht, von denen wenigstens ein Greiferflächenbereich zum Zweck eines kraftschlüssigen Ergreifens, Haltens und Manipulierens des Objektes relativ zum Objekt kraftbeaufschlagt auslenkbar ist, sowie mit wenigstens einem Kraftsensor, der eine zwischen dem Objekt und wenigstens einem Greiferflächenbereich wirkende Kontaktkraft erfasst.The The invention relates to a device for slip-monitored, frictional Gripping, holding and manipulating an object with a gripper assembly, the at least two gripper surface areas provides, of which at least one gripper surface area for the purpose of frictional Grasping, holding and manipulating the object relative to the object kraftbeaufschlagt is deflected, as well as with at least one force sensor, one between the object and at least one gripper surface area effective contact force recorded.

Zur sicheren Handhabung bzw. Manipulation technischer Objekte mit Hilfe roboterunterstützer Greifersysteme gilt es zum Schutze des technischen Objektes aber auch der Umgebung des jeweiligen Manipulationsarbeitsplatzes der Sicherstellung, dass das technische Objekt ausreichend fest von der Greiferanordnung gehalten wird, so dass ein unkontrolliertes Abgleiten bzw. Herunterfallen des technischen Objektes aus der Greiferanordnung sicher ausgeschlossen werden kann. So gilt es darauf zu achten, dass die zwischen der Greiferanordnung und dem Objekt wirkende Haltekraft genügend groß ist, so dass das Auftreten eines Schlupfes, d.h. der Beginn einer Abgleitbewegung des Objektes aus der Greiferanordnung auszuschließen ist. Tritt ein derartiger Schlupf dennoch auf, so bedarf es zur Vermeidung des Verlustes des Objektes einer unverzüglichen Erhöhung der Haltekraft, um weiteres Abgleiten des Objektes aus der Greiferanordnung zu vermeiden. Zur Überwachung und Vermeidung von Schlupf beim kraftschlüssigem Halten oder Manipulieren mechanischer bzw. technischer Objekte mittels Greiferanordnungen, die manigfaltig ausgebildet sein können und von einfachen Lineargreifersystemen mit Greiferbacken bis hin zu räumlich beliebig positionierbaren Roboterarmen oder mehrgliedrigen Roboterhänden reichen, sind bis anhin verschiedenartige Lösungskonzepte vorgeschlagen worden.to safe handling or manipulation of technical objects with help robot support gripper systems It is for the protection of the technical object but also the environment the respective manipulation workstation of ensuring that the technical object sufficiently firmly held by the gripper assembly so that an uncontrolled sliding down or falling the technical object from the gripper assembly safely excluded can be. So it is important to make sure that between the Gripper assembly and the object acting holding force is sufficiently large, so that the occurrence of slippage, i. the beginning of a sliding movement of the object is to be excluded from the gripper assembly. If such a slip nevertheless occurs, it is necessary to avoid the Loss of the object of an immediate increase in holding power to further Slipping of the object from the gripper assembly to avoid. For monitoring and avoiding slippage during non-positive holding or manipulation mechanical or technical objects by means of gripper arrangements, which can be formed manigfaltig and simple linear gripper systems with gripper jaws up to spatially range robotic arms or multi-unit robotic hands, Until now, various solution concepts have been proposed Service.

So geht aus einem Beitrag von Cranny, A., Cotton, D. P. J., Chappell, P. H. und White, N. M., "Thick film force and slip sensors for a prosthetic hand", (2004), EuroSensors 18 CDROM – Digest of Technical Papers(C6.2), Rome, ein Schlupfsensor mit einem dynamischem Kraftsensor hervor, bei dem eine Handprothese mit zwei verschiedenen Kraftsensoren ausgestattet ist, von denen ein erster als statischer und ein zweiter als dynamischer Sensor eingesetzt wird, wobei der dynamische Sensor in Form eines Vibrationssensor das Auftreten eines Schlupfes, d.h. eines Abgleitens des Objektes relativ zur Handprothese erfasst. Der als Schlupfsensor verwendete dynamische Kraftsensor nutzt die piezoelektrischen Eigenschaften von PZT (Blei-Zirconat-Titanat) aus und detektiert die durch das Rutschen entstehenden Vibrationen.So from a paper by Cranny, A., Cotton, D.P.J., Chappell, P.H. and White, N.M., "Thick film force and slip sensors for a prosthetic hand ", (2004), EuroSensors 18 CDROM digest of Technical Papers (C6.2), Rome, a slip sensor with a dynamic Force sensor in which a hand prosthesis with two different Force sensors are equipped, of which a first as static and a second is used as a dynamic sensor, wherein the dynamic sensor in the form of a vibration sensor the appearance of a Slippage, i. a sliding of the object relative to the hand prosthesis detected. The dynamic force sensor used as a slip sensor uses the piezoelectric properties of PZT (lead zirconate titanate) and detects the vibrations resulting from the slippage.

Um den Beginn bzw. den Übergang von Haft- zu Gleitreibung beim Halten bzw. Manipulieren eines technischen Objektes erkennen zu können, das von einer Roboterhand getragen wird, schlagen R.D. Howe and M.R. Cutkosky in "Sensing skin acceleration for texture and slip perception", IEEE International Conference on Robotics and Automation, Seiten 145–150, Scottsdale, Arizona, May 1989, vor einen dynamisch taktilen Sensoren in elastische Roboterfinger zu integrieren. Ein derartiger Sensor ist in leicht modifizierter Form in einem weiteren Artikel von M.R. Tremblay and M.R. Cutkosky, "Estimating friction using incipient slip sensing during a manipulation task", IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol.1, Seiten 429–434, Atlanta, GA, USA, May 2–6, 1993, beschrieben und vermag letztlich den Reibungskoeffizienten während einer Handhabungsaufgabe abzuschätzen. Der Sensor besteht aus einer dünnen Haut aus Silikongummi, die auf einem halbzylindrischen Kern aus Schaumstoff aufgeklebt ist. Der Schaumstoff hilft einerseits sich der Oberfläche des handzuhabenden Objektes konturgetreu anzupassen und ermöglicht somit einen verbesserten Halt bei gleichzeitiger Reduzierung von Instabilitätsproblemen durch eine Greifkraft-Regelung. Die elastische Haut ist mit kleinen Noppen bedeckt, die jede für sich lokale Kontaktregionen bildet, die im Falle eines Abgleitens des Objektes von der Hautoberfläche kleine Vibrationen erzeugen, die mit Hilfe von Beschleunigungssensoren registriert werden können.Around the beginning or the transition from sticking to sliding friction while holding or manipulating a technical To be able to recognize objects which is carried by a robotic hand beat R.D. Howe and M. R. Cutkosky in "Sensing Skin acceleration for texture and slip perception ", IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 145-150, Scottsdale, Arizona, May 1989, before a dynamically tactile sensors in elastic Integrate robot fingers. Such a sensor is slightly modified Form in another article by M.R. Tremblay and M.R. Cutkosky, "Estimating friction using Incipient slip sensing during a manipulation task ", IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1, pp. 429-434, Atlanta, GA, USA, May 2-6, 1993, and finally describes the coefficient of friction while estimate a handling task. The sensor consists of a thin one Skin made of silicone rubber, based on a semi-cylindrical core Foam is glued on. The foam helps one hand the surface of the object to be handled conform to the contour and thus enables improved grip while reducing instability issues by a gripping force control. The elastic skin is small Pimples covered, each one for forms local contact regions, which in the case of a slide of the object from the skin surface generate small vibrations by means of acceleration sensors can be registered.

Darüber hinaus sind auf dem Markt sogenannte taktile Sensorarrays verfügbar, die auch unter dem Begriff „künstliche Haut" in der Lage sind, Druck- bzw. und Flächenprofile zweidimensional zu erfassen und auf diese Weise einen künstlichen Tastsinn nachzubilden. Zwar zielt die aktuelle Forschung daraufhin ab, taktile Sensorarrays zu miniaturisieren und die einzelnen aktuellen Messwandler derart zu modifizieren, dass neben der Erfassung von senkrecht auf die Sensorarrays wirkende Kräfte auch Scherkraftmessungen möglich werden. Querkräfte können jedoch damit bisher nicht gemessen werden und vermögen ferner die Sensoranordnung sogar zu zerstören. Dies ist auch der Grund dafür, dass derartige Sensorarrays nicht als sogenannter Slip-Sensoren eingesetzt werden, um ein laterales Abgleiten eines Objektes längs der Sensorfläche zu erfassen. Eine diesbezügliche ausführliche Beschreibung findet sich hierzu in Kerpa O., Weiss K., Woern H., „Development of a flexible tactile sensor system for a humanoid robot", IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) 2003.Furthermore So-called tactile sensor arrays are available on the market also under the term "artificial Skin "able are, printing and area profiles capture two-dimensionally and in this way an artificial one To reproduce sense of touch. Although the current research aims to miniaturize tactile sensor arrays and the individual current ones To modify transducers such that in addition to the detection of forces acting perpendicular to the sensor arrays also shear force measurements possible become. transverse forces can but so far not be measured and are able to continue even destroy the sensor array. This is the reason for this, that such sensor arrays are not used as so-called slip sensors be to a lateral sliding of an object along the sensor surface capture. A related detailed Description can be found in Kerpa O., Weiss K., Woern H., "Development of a flexible tactile sensor system for a humanoid robot ", IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robotics and Systems (IROS) 2003.

Aus der Druckschrift US 4 637 736 ist eine Vorrichtung mit zumindest zwei bewegbaren Klemmflächen zum kraftschlüssigen Greifen und Halten von Objekten bekannt, die zumindest einen Slip-Sensor vorsieht, der als Temperatursensor (thermal responsive element 34) ausgebildet ist und der eine Relativbewegung von Objekt und Klemmfläche anhand der an der Objektoberfläche gemessenen Temperaturänderung ermittelt.From the publication U.S. 4,637,736 is a device with at least two movable clamping surfaces for frictional gripping and holding objects known, which provides at least one slip sensor, which is designed as a temperature sensor (thermal responsive element 34) and which measures a relative movement of object and clamping surface on the basis of the object surface Temperature change determined.

Aus der Druckschrift EP 0 664 272 B1 ist eine lasttransportierende Klemmvorrichtung mit wahlweise zu schließenden und zu öffnenden lastangreifenden Flächen zum wahlweisen Ergreifen und Freigeben einer zwischen den Flächen angeordneten Last bekannt, die einen Slip-Sensor vorsieht, der die Bestimmung einer Relativbewegung der Last zur lastangreifenden Fläche mechanisch-elektrisch mittels eines auf einer der lastangreifenden Flächen angeordneten Reibrades (contact roller 124) und eines optischen Kodierers (optical encoder 136) ermöglicht.From the publication EP 0 664 272 B1 is a load-transporting clamping device with optionally to be closed and open load-engaging surfaces for selectively gripping and releasing a load arranged between the surfaces known which provides a slip sensor, the determination of a relative movement of the load to the load-engaging surface mechanically-electrically by means of a on a the load-engaging surfaces arranged friction wheel (contact roller 124) and an optical encoder (optical encoder 136) allows.

Schließlich schlagen Mitsunori Tada, Tomohiro Shibata, Tsukasa Ogasawara in "Proposition and Investigation of the Grip Force Control Hypothesis based on the Stick Ratio of a Fingertip Contact Interface", International Conference on Humanoid Robots, November 22–24, 2001, Tokyo, Japan vor, einen optischen Sensor sowie einen Kraftsensor bei Greiferproblemen einzusetzen, mit dem Ziel, das Greifverhalten eines Menschen zu untersuchen. Hierbei findet eine Kamera sowie ein Kraft-Momenten-Sensor Anwendung, wobei die Fingerspitzen des Menschen mittels der Kamera optisch erfaßt werden und der über die Fingerspitzen auf eine Unterlage respektive auf ein Objekt gerichteten Krafteintrag mit einem geeigneten Kraftsensor gemessen wird. Der optische Sensor benötigt jedoch aus Kontrastgründen eine geeignete Fläche, um mit der Kamera den Fingerspitzen entsprechend folgen zu können.Finally beat Mitsunori Tada, Tomohiro Shibata, Tsukasa Ogasawara in "Proposition and Investigation of the Grip Force Control Hypothesis based on the Stick Ratio of a Fingertip Contact Interface ", International Conference on Humanoid Robots, November 22-24, 2001, Tokyo, Japan, an optical sensor and a force sensor to use with gripper problems, with the aim of gripping behavior to examine a person. Here is a camera as well a force-moment sensor application, using the fingertips of the human optically detected by the camera and over the fingertips on a base or on an object directed Force entry is measured with a suitable force sensor. The optical Sensor needed however for contrast reasons a suitable area, to be able to follow the fingertips with the camera accordingly.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Schlupfüberwachten, kraftschlüssigen Greifen, Halten und Manipulieren eines Objektes mit einer Greiferanordnung, die wenigstens zwei Greiferflächenbereiche vorsieht, von denen wenigstens ein Greiferflächenbereich zum Zwecke eines kraftschlüssigen Ergreifens des Objektes relativ zum Objekt kraftbeaufschlagt auslenkbar ist, derart auszubilden, das mit Hilfe möglichst einfacher und kostengünstiger technischer Komponenten eine sichere Handhabung eines Objektes durch eine Greiferanordnung gewährleistet wird, wobei ein möglicherweise auftretender Schlupf zwischen Objekt und Greiferanordnung erkannt und diesem sofort entgegengewirkt werden kann.Of the Invention is based on the object, a device for monitoring slip, frictional Gripping, holding and manipulating an object with a gripper assembly, the at least two gripper surface areas provides, of which at least one gripper surface area for the purpose of frictional Grasping the object relative to the object kraftbeaufschlagt deflected is to train in such a way that with the help of possible simpler and cheaper technical components ensure safe handling of an object ensures a gripper assembly being, possibly one occurring slip detected between object and gripper assembly and this can be counteracted immediately.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution the object underlying the invention is specified in claim 1. The concept of the invention advantageously further-forming features Subject of the dependent claims and the description in particular with reference to the embodiments refer to.

Lösungsgemäß ist eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass an wenigstens einem Greiferflächenbereich, der in Kontakt mit dem Objekt bringbar ist, wenigstens eine Sensoreinheit vorgesehen ist, die eine Relativbewegung zwischen dem Greiferflächenbereich und dem Objekt erfaßt, dass die als optische Sensoreinheit ausgebildete Sensoreinheit eine Lichtquelle aufweist, so dass das von der Lichtquelle ausgesandte Licht auf eine Oberfläche des Objektes gerichtet, an dieser reflektiert und von der optischen Sensoreinheit, in der vorzugsweise eine Kameraeinheit vorgesehen ist, als Oberflächenreflexbild erfasst wird, und dass eine Bildauswerteeinheit vorgesehen ist, die die von der optischen Sensoreinheit erfassten Oberflächenreflexbilder unter Maßgabe auftretender Bildunterschiede zwischen jeweils zwei zeitlich nacheinander aufgenommenen Oberflächenreflexbildern, bedingt durch eine Lageveränderung der optischen Sensoreinheit relativ zur Oberfläche des Objektes auswertet.Solution is a Device according to the features of the preamble of claim 1 is designed such that at least a gripper surface area, which can be brought into contact with the object, at least one sensor unit is provided, which is a relative movement between the gripper surface region and the object detected, in that the sensor unit designed as an optical sensor unit has a Having light source, so that emitted by the light source Light on a surface of the Object directed, reflected at this and by the optical Sensor unit, preferably provided in the camera unit is, as a surface reflection image is detected, and that an image evaluation unit is provided, the captured by the optical sensor unit surface reflection images under proviso occurring image differences between two consecutive times recorded surface reflex images, conditioned by a change in position the optical sensor unit evaluates relative to the surface of the object.

Zur Reduzierung des technischen Aufwandes für die Realisierung einer lösungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise als optische Sensoreinheit jener optischer Sensor, der seit vielen Jahren marktüblich bei optischen Computermäusen in Gebrauch ist und der zur zweidimensional aufgelösten Erfassung der Relativbewegung der Computermaus relativ zu einer Unterlage dient. Ein derartiger optischer Sensor besteht in aller Regel aus einer Lichtquelle, beispielsweise einer nicht Licht emittierenden Diode, und einer Kameraeinheit, die das von der Lichtquelle an einer Oberfläche reflektierte Licht erfaßt und in zeitlich kontinuierlicher Abfolge Oberflächenreflexbilder von einem Oberflächenbereich aufnimmt. Zur Feststellung einer möglichen Lageveränderung der optischen Sensoreinheit gegenüber der Oberfläche werden zeitlich nacheinander aufgenommene Oberflächenreflexbilder im Rahmen einer Bildauswerteeinheit verglichen, um möglicherweise vorhandene Bildunterschiede festzustellen, anhand derer Bewegungstrajektorien ermittelbar sind, die Richtung und Geschwindigkeit angeben, mit der eine entsprechende Lageänderung der Sensoreinheit vorgenommen worden ist. Aufgrund der Implementierung einer optischen Sensoreinheit die seit vielen Jahren in einem Massenartikel zum Einsatz kommt, in eine Greiferanordnung ergibt sich ein kostengünstiges und zuverlässig arbeitendes System zur Schlupfermittlung eines durch eine Greiferanordnung gehaltenen Objektes.To reduce the technical complexity for the realization of a device designed in accordance with the solution is in a particularly advantageous manner as an optical sensor unit that optical sensor that has been commercially available for many years in optical computer mice in use and the two-dimensional resolved detection of the relative movement of the computer mouse relative to a pad serves. Such an optical sensor usually consists of a light source, for example a non-light-emitting diode, and a camera unit, which detects the light reflected from the light source on a surface and receives surface reflection images of a surface area in a temporally continuous sequence. In order to determine a possible change in position of the optical sensor unit with respect to the surface, surface reflex images recorded successively in time are compared in the context of an image evaluation unit in order to determine possibly existing image differences, by means of which movement trajectories can be determined, indicating the direction and speed with which a corresponding change in position of the sensor unit has been made , Due to the implementation of an optical sensor unit which has been used for many years in a mass-produced article, in a gripper arrangement results in a cost-effective and reliable operating system for determining slip ei Nes held by a gripper assembly object.

In einer einfachsten Ausführungsform ist die Greiferanordnung als Lineargreifer mit zwei aufeinander zu bewegliche Greiferbacken ausgebildet, die jeweils einen längs der Linearachse beweglichen Greiferflächenbereich vorsehen, zwischen denen ein handzuhabendes Objekt zu Zwecken seiner Manipulation freitragend eingespannt, bzw. gehalten werden kann. Um festzustellen, ob das zwischen beiden Greiferflächenbereichen gelagerte Objekt längs beider Greiferflächenbereichen abzugleiten bzw. abzurutschen beginnt, ist es erforderlich, die optische Sensoreinheit im Bereich wenigstens eines Greiferflächenbereiches vorzusehen, der in direktem Kontakt mit der Oberfläche des Objektes tritt. Ein Abgleiten des Objektes zwischen den Greiferflächenbereichen kann somit mit Hilfe der optischen Sensoreinheit erfaßt werden, gleichsam der Relativbewegung einer optischen Maus über eine Unterlage.In a simplest embodiment is the gripper assembly as a linear gripper with two on each other formed to movable gripper jaws, each one along the Linear axis provide movable gripper surface area, between which an object to be handled is self-supporting for purposes of its manipulation clamped, or can be held. To determine if that between both gripper surface areas stored object along both gripper surface areas slipping off or slipping begins, it is necessary that optical sensor unit in the region of at least one gripper surface region to be provided in direct contact with the surface of the Object occurs. Slippage of the object between the gripper surface areas can thus be detected by means of the optical sensor unit, as it were the relative movement of an optical mouse over a Document.

Die von der optischen Sensoreinheit herrührenden Sensorsignale gelangen an eine Auswerte- und Steuereinrichtung, durch die unverzüglich die Aktorik der Greiferanordnung dahingehend angesteuert wird, dass die zwischen dem Objekt und den Greiferflächenbereichen herrschende Kontaktkraft erhöht wird, so dass das Abgleiten des Objektes zwischen den Greiferflächenbereichen unterbunden wird.The get from the optical sensor unit derived sensor signals to an evaluation and control device, by the actuators immediately the gripper assembly is driven to the effect that between the object and the gripper surface areas increasing contact force so that the sliding of the object between the gripper surface areas is prevented.

In entsprechender weiterführender Ausbildung ist es ebenso möglich, die lösungsgemäß vorgeschlagene optische Sensoreinheit in fortschrittlichere Greiferanordnungen zu integrieren, wie beispielsweise Roboterarme oder Roboterhände mit wenigstens zwei beweglich ausgebildeten Roboterfingern, an deren Fingerspitzen die entsprechenden Greiferflächenbereiche vorgesehen sind, von denen wenigstens eine in der lösungsgemäßen Weise durch Kombination mit einer optischen Sensoreinheit ausgebildet ist.In corresponding secondary Training it is equally possible the solution proposed optical sensor unit in more advanced gripper assemblies to integrate, such as robot arms or robot hands with at least two mobile robot fingers, at their fingertips the corresponding gripper surface areas are provided, of which at least one in the manner according to the solution Combination with an optical sensor unit is formed.

In vorteilhafter Weise verfügt die Greiferanordnung über wenigstens einen Kraftsensor, der die zwischen dem Objekt und wenigstens einem Greiferflächenbereich wirkende Halte- bzw. Kontaktkraft erfaßt. Um letztlich die das Objekt zwischen den Greiferflächenbereichen haltende Anpreß- bzw. Kontaktkraft zu messen und insbesondere zu regeln, um ein Rutschen des Objektes relativ zu den Greiferflächenbereichen zu verhindern, ist es vorteilhaft, die zur Oberfläche des Objektes wirkende Normalkraft zu erfassen. So bietet es sich hierzu einerseits an, bei Verwendung eines Robotergreifers zur Erfassung der auf das Objekt einwirkenden Kraftmomente durch einen entsprechenden Kraftmomentensensor, der in einem Roboterhandgelenk integriert ist, zu erfassen. Andererseits kann die auf das Objekt einwirkende Haltekraft direkt mittels wenigstens einen im Greiferflächenbereich angebrachten taktilen Sensorarray erfasst werden, das unmittelbar benachbart zum optischen Sensor an der Greiferfläche angebracht ist.In advantageous manner the gripper assembly over at least one force sensor, the between the object and at least a gripper surface area acting holding or contact force detected. To ultimately the object between the gripper surface areas holding pressure or contact force to measure and in particular to regulate to slip of the object relative to the gripper surface areas, it is advantageous, the normal force acting on the surface of the object capture. So on the one hand it offers, on the one hand, when used a robot gripper for detecting the forces acting on the object Force moments by a corresponding force torque sensor, the integrated into a robotic wrist. on the other hand can the holding force acting on the object directly by means of at least one in the gripper surface area attached tactile sensor array are detected immediately is mounted adjacent to the optical sensor on the gripper surface.

Die lösungsgemäß vorgeschlagene Kombination einer Greiferanordnung mit einer optischen Sensoreinheit, wie sie zur Erfassung der Lageveränderung optischer Computermäuse seit vielen Jahren bekannt ist, ermöglicht in Verbindung mit der Erfassung der zwischen einer Greiferanordnung und einem zu haltenden Objekt wirkenden Haltekräfte eine Schlupf-überwachte Manipulation eines Objektes mit Hilfe einer Greiferanordnung. Bereits geringste Gleitbewegungen zwischen Objekt und Greiferflächenbereiche können mit Hilfe des optischen Sensors erfaßt werden, die einen möglichen kurz bevorstehenden unkontrollierten Verlust des Objektes anzeigen. Durch geregelte Erhöhung der Haltekräfte kann einem detektierten Schlupfereignis entsprechend entgegengetreten werden. Mit Hilfe heutiger Sensortechnik ist es möglich, den für die Schlupfmessung erforderlichen optischen Sensor als auch den für die Kraftmessung erforderlichen Kraftsensor derart zu miniaturisieren, so dass ein hoher Grad an Integrationsfähigkeit erreicht werden kann, um auch kleinste Greiferflächenbereiche, wie beispielsweise Fingerspitzenbereiche bei künstlich nachgebildeten Händen, mit einer derartigen Sensoreinheit auszustatten. Darüber hinaus bietet das vorgeschlagene Sensorprinzip die Möglichkeit einer hochflexiblen Adaptierbarkeit an beliebig mechanische Flächen, insbesondere für die Oberflächenbeschaffenheiten von zu ergreifenden Objekten, die mit dem optischen Sensor irritationsfrei erfaßt werden können, d.h. das vorgeschlagene Sensorsystem zur Schlupf-überwachten Manipulation mittels einer Greiferanordnung wirft keinerlei Ausschlußkriterien für jeweils handzuhabenden Objekte auf.The proposed by solution Combination of a gripper arrangement with an optical sensor unit, how to detect the change in the position of optical computer mice since many years ago is known in connection with the detection of the between a gripper assembly and a holding object to be held holding forces a slip-monitored Manipulation of an object by means of a gripper arrangement. Already Minimal sliding movements between object and gripper surface areas can be detected by means of the optical sensor, the one possible indicate imminent uncontrolled loss of the object. By regulated increase the holding forces can counteract a detected slip event accordingly become. With today's sensor technology, it is possible to for the Slip measurement required optical sensor as well as the force measurement miniaturize required force sensor such that a high degree of integration ability can be achieved to even the smallest gripper surface areas, such as Fingertip areas in artificial imitated hands, equipped with such a sensor unit. Furthermore the proposed sensor principle offers the possibility of a highly flexible Adaptability to any mechanical surfaces, especially for the surface textures of objects to be gripped, which with the optical sensor without irritation detected can be i.e. the proposed sensor system for slip-monitored manipulation by means of a gripper arrangement does not throw any exclusion criteria for each to handle objects.

Sämtliche für die Funktionalität der Schlupfüberwachung erforderliche Sensordaten beschränken sich auf standardisierte Datenformate, die über einfache elektronische und informationstechnische Schnittstellen, wie beispielsweise USB-Schnittstellen übermittelbar sind. Die für die Schlupfüberwachung erforderliche Datenverarbeitung wirft mit den heutigen Verarbeitungstechnologien keinerlei technische sowie auch kostenrelevante Aufwendungen auf. Das lösungsgemäß vorgeschlagene Sensorsystem ist robust, preisgünstig am Markt verfügbar und an bereits im Einsatz befindlichen Greiferanordnungen beliebig nachrüstbar.All for the functionality Slip monitoring Required sensor data is limited on standardized data formats using simple electronic and information technology interfaces, such as USB interfaces can be transmitted are. The for the slip monitoring required Data processing raises with today's processing technologies no technical or cost-related expenses. The solution proposed Sensor system is robust, inexpensive available on the market and retrofittable to already in use gripper arrangements.

Kurze Beschreibung der ErfindungShort description of invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention will be described below without limiting the general inventive idea described by way of example with reference to the drawings. Show it:

1a fotographische Darstellung einer modular ausgebildeten Greiferbacke mit einem lösungsgemäß ausgebildeten Greiferflächenbereich, 1a Photographic representation of a modular gripper jaw with a gripper surface area formed in accordance with the invention,

1b fotographische Darstellung einer Roboterarmvorrichtung mit einem lösungsgemäß ausgebildeten Greiferflächenbereich, sowie 1b Photograph of a robot arm device with a solution according trained gripper surface region, as well

1c fotographische Darstellung zweier Roboterarme, jeweils mit lösungsgemäß ausgebildeten Greiferflächenbereichen. 1c Photographic representation of two robot arms, each with trained according to gripper surface areas.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to execute the Invention, industrial applicability

In 1a ist eine fotographische Darstellung einer Greiferbacke 2 dargestellt, die einseitig beispielsweise an einen Manipulatorendarm einer Robotereinheit anflanschbar ist. Die in 1 dargestellte Greiferbacke weist einen Greiferflächenbereich 2' auf, in dem mittig eine Ausnehmung vorgesehen ist, in der eine optische Sensoreinheit 1 angebracht ist. Die optische Sensoreinheit 1, wie vorstehend erwähnt setzt sich aus einer Lichtquelle, beispielsweise in Form einer Leuchtdiode, und einer Kameraeinheit zusammen, wie sie bereits bei marktüblichen optischen Computermäusen Verwendung findet. Beidseitig benachbart zur optischen Sensoreinheit 1 längs des Greiferflächenbereiches 2' sind zwei taktile Sensorarrays 6 angeordnet, die den Kraftfluß zwischen einem nicht in 1a dargestellten Objekt und der Greiferbacke 2 zu erfassen vermögen.In 1a is a photographic representation of a gripper jaw 2 represented, which can be flanged on one side, for example, to a Manipulatorendarm a robot unit. In the 1 illustrated gripper jaw has a gripper surface area 2 ' in which a recess is centrally provided, in which an optical sensor unit 1 is appropriate. The optical sensor unit 1 , as mentioned above, consists of a light source, for example in the form of a light-emitting diode, and a camera unit, as already used in commercially available optical computer mice. On both sides adjacent to the optical sensor unit 1 along the gripper surface area 2 ' are two tactile sensor arrays 6 arranged, which the power flow between a not in 1a shown object and the gripper jaw 2 to capture.

In 1b ist eine alternative Ausführungsform der Greiferbacke 2 dargestellt, die am Manipulatorendarm 3 einer Robotereinheit angebracht ist. Mittig im Greiferflächenbereich 2' der in 1b dargestellten Greiferbacke 2 ist die optische Sensoreinheit 1 angebracht, deren Vorteil insbesondere darin zu sehen ist, dass der Sensor 1 für eine große Vielfalt möglicher Oberflächen eines zu manipulierenden bzw. mechanisch zu fixierenden Objektes eingesetzt werden kann. Durch die Lichtemission der Leuchtdiode werden zweidimensionale Informationen über eine mögliche Relativbewegung der Objektoberfläche zum optischen Sensor erfaßt. So vermag der optische Sensor ein Verrutschen des Objektes relativ zum Sensor in jeder Richtung parallel zur Sensorfläche, die mit der Fläche des Greiferflächenbereiches 2' zusammenfällt, festzustellen.In 1b is an alternative embodiment of the gripper jaw 2 shown on the Manipulatorendarm 3 a robot unit is mounted. Center in the gripper surface area 2 ' the in 1b illustrated gripper jaw 2 is the optical sensor unit 1 attached, the advantage of which is to be seen in particular in that the sensor 1 can be used for a wide variety of possible surfaces of an object to be manipulated or mechanically fixed. By the light emission of the light emitting diode two-dimensional information about a possible relative movement of the object surface to the optical sensor are detected. Thus, the optical sensor is capable of slipping the object relative to the sensor in any direction parallel to the sensor surface, which coincides with the surface of the gripper surface region 2 ' coincides.

Um die Anpreß- bzw. Kontaktkraft auf ein handzuhabendes Objekt zu regeln und somit ein Rutschen des Objektes relativ zum Greiferflächenbereich 2' zu verhindern, wird die zwischen dem Greiferflächenbereich und der Oberfläche des Objektes wirkende Normalkraft zu beiden Oberflächen erfaßt. Dies erfolgt mit Hilfe der in 1a dargestellten Greiferbacke mittels der im Greiferflächenbereich angeordneten taktilen Sensorarrays 6, die um den optischen Sensor 1 angeordnet sind. Alternativ ist es ebenso möglich, die auf das Objekt einwirkende Haltekraft mit Hilfe eines Kraft-Momentensensors 4 zu erfassen, der in einem Roboterhandgelenk gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1b integriert ist. In beiden Ausführungsvarianten können die zur Schlupfmessung erforderlichen Messdaten, als auch die für den Betrieb der Sensoren erforderliche Spannungsversorgung mit Hilfe eines einzigen USB-Kabels 7 übertragen bzw. bereitgestellt werden.To regulate the pressure or contact force on an object to be handled and thus a slippage of the object relative to the gripper surface area 2 ' To prevent the force acting between the gripper surface region and the surface of the object normal force is detected to both surfaces. This is done with the help of in 1a gripper jaw illustrated by means of arranged in the gripper surface region tactile sensor arrays 6 around the optical sensor 1 are arranged. Alternatively, it is also possible, the holding force acting on the object by means of a force-moment sensor 4 detected in a robot wrist according to the embodiment in 1b is integrated. In both variants, the measurement data required for slip measurement, as well as the voltage required for the operation of the sensors power supply using a single USB cable 7 be transmitted or provided.

In 1c ist eine fotographische Darstellung zweier sich gegenüberliegender Roboterarme dargestellt, zwischen deren Greiferbacken 2 ein Objekt 5 in Form eines Eimers gehalten wird. Zur Realisierung einer schlupffreien Lagerung des Eimers 5 zwischen beiden Greiferbacken 2 ist einer der beiden Roboterarme mit einem Schlupfsensor in der vorstehend dargestellten Weise ausgerüstet, wohingegen der andere Roboterarm über einen Kraft-Momentensensor 4 im Roboterhandgelenk verfügt. Grundsätzlich genügt es, wenn nur an einem Roboterarm ein entsprechender Schlupfsensor vorgesehen ist. Falls das Objekt zu schwer und die Haltekraft zu gering ist, wird vom Schlupfsensor eine relative Bewegung des Objektes festgestellt. Infolgedessen wird durch eine geeignete Kraftregelung, die zwischen den Greiferbacken 2 und dem Objekt 5 herrschende Normalkraft soweit erhöht, so dass ein weiterer Schlupf unterbunden wird und der Eimer 5 sicher und statisch gehalten werden kann.In 1c is a photographic representation of two opposing robotic arms shown between the gripper jaws 2 an object 5 held in the form of a bucket. To realize a slip-free storage of the bucket 5 between both gripper jaws 2 For example, one of the two robot arms is equipped with a slip sensor in the above-described manner, whereas the other robot arm is equipped with a force-moment sensor 4 in the robot wrist has. In principle, it is sufficient if a corresponding slip sensor is provided only on one robot arm. If the object is too heavy and the holding force is too low, the slip sensor detects a relative movement of the object. As a result, by means of a suitable force control, the between the gripper jaws 2 and the object 5 prevailing normal force increased so far, so that further slippage is prevented and the bucket 5 can be kept safe and static.

Auch ist es möglich, die lösungsgemäß vorgeschlagene Sensorkombination aus optischer Sensoreinheit und Kraftsensor für einen kontrolliert eingestellten Schlupf zwischen Objekt und Greiferbacken einzusetzen. So ist es denkbar, schwere Objekte mit geregelter Rutsch- bzw. Schlupfgeschwindigkeit anzuheben bzw. abzusetzen. Dies kann mit Hilfe eines entsprechend gewählten Regelalgorithmus gezielt eingestellt werden.Also Is it possible, the solution proposed Sensor combination of optical sensor unit and force sensor for one controlled slip between object and gripper jaws use. So it is conceivable, heavy objects with controlled slipping or to increase or decrease slip speed. This can with the help of an appropriately chosen Control algorithm can be set specifically.

11: optische Sensoreinheitoptical sensor unit
22: Greiferbackegripper jaw
2'2 ': GreiferflächenbereichGripper area
33: Roboterarmrobot arm
44: Kraft-MomentensensorForce-torque sensor
55: Objektobject
66: taktiles Sensorarraytactile sensor array
77: USB-KabelUSB cable

Claims

Device for slip-monitored, force gripping, holding and manipulating an object ( 5 ) with a gripper arrangement, the at least two gripper surface areas ( 2 ' ), of which at least one gripper surface area ( 2 ' ) for the purpose of frictionally engaging the object ( 5 ) relative to the object ( 5 ) is force deflectable, wherein at least one gripper surface area ( 2 ' ), which is in contact with the object ( 5 ), at least one sensor unit ( 1 ) is provided which a relative movement between the gripper surface area ( 2 ' ) and the object ( 5 ), characterized in that the sensor unit ( 1 ) as an optical sensor unit ( 1 ) is formed with a light source, so that the light emitted by the light source on a surface of the object ( 5 ), reflected at this and by the optical sensor unit ( 1 ) is detected as a surface reflection image, and that an image evaluation unit is provided, which is the one of the optical sensor unit ( 1 ) recorded surface reflection images under the condition occurring image differences between two temporally successively recorded surface reflection images, due to a change in position of the optical sensor unit ( 1 ) relative to the surface of the object ( 5 ), evaluates ..

Apparatus according to claim 1, characterized in that the gripper assembly is designed as a linear gripper, with two along a linear axis opposite arranged gripper surface areas ( 2 ' ), which are mounted individually or together along the linear axis zusammenführbar.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the gripper arrangement on a robot arm ( 3 ) is arranged.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the gripper arrangement is designed in the form of a robot hand attached to the end region of a robot arm with at least two movable robot fingers, on each of which a gripper surface region ( 2 ' ) is provided.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one force sensor is provided, one between the object ( 5 ) and at least one gripper surface area ( 2 ' ) acting contact force detected.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the force sensor along the robot arm ( 3 ) is provided.

Apparatus according to claim 6, characterized in that the force sensor as force-moment sensor ( 4 ) is trained.

Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the force sensor as a two-dimensional tactile sensor array ( 6 ) formed on at least one gripper surface area ( 2 ' ) is attached.

Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that a control device is provided, which is connected to the force sensor and the at least one optical sensor unit and upon detection of a relative movement between the object ( 5 ) and at least one gripper surface area ( 2 ' ) causes an increase in the contact force until the object ( 5 ) motionless relative to the gripper surface areas ( 2 ' ) stores.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the optical sensor unit ( 1 ) has a camera unit for detecting the surface reflection images.