DE102005059349A1

DE102005059349A1 - Parallelkinematisches Greifsystem zum Greifen und Handhaben

Info

Publication number: DE102005059349A1
Application number: DE200510059349
Authority: DE
Inventors: Taoufik Dipl.-Ing. M'Barek; Burkhard Prof. Dr.-Ing. Corves; Martin Cand.-Ing. Riedel; Marwene Dipl.-Ing. Nefzi; Mathias Dr.-Ing. Hüsing
Original assignee: Individual
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP kann durch die Bildung einer parallelkinematischen Struktur, die aus dem Greif- und Handhabungssystem und dem Greifobjekt, welches als vollwertiges und notwendiges Getriebeglied in die Struktur eingebunden ist, beim Greifen das Greifobjekt eigenständig, d.h. ohne Bewegung einer das Greif- und Handhabungssystem tragenden Struktur, bewegen und verfügt genau über die Anzahl von Antrieben in der gebildeten parallelkinematischen Struktur, die dem gewünschten Freiheitsgrad des zu bewegenden Objektes entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP. Dieses hat die Funktion Objekte zu greifen und zu manipulieren, d.h. translatorisch und rotatorisch bewegen zu können. Hierzu ist für die Bewegung des Objektes ein Schwenken oder Verschieben der Greifereinheit durch eine tragende Primärstruktur, wie z.B. einen Roboter nicht notwendig.

Heutzutage sind Greifsysteme im Einsatz, die, wie z.B. Parallel-, Winkel-, Dreibacken-, oder Großhubgreifer, das Objekt entweder zwischen den Greifflächen einklemmen oder eine formschlüssige Verbindung mit dem Objekt bilden oder Greifsysteme, die über einzelne Elemente, wie z.B. Saugnäpfe oder Elektro-Magneten eine haftende feste Verbindung zum Objekt erzeugen. Diese Greifsysteme sind effizient und werden überwiegend in der Industrie verwendet.

Andere Greifsysteme, die meist in der Forschung verwendet werden, sind entsprechend oder ähnlich der Kinematik der menschlichen Hand aufgebaut und besitzen ein höhere Flexibilität beim Greifen.

Heutige Industriegreifsysteme besitzen nur die Fähigkeit zu greifen. Das heißt sie müssen von einer das Greifsystem tragenden Struktur, beispielsweise einem Roboter, zum Objekt geführt und ausgerichtet werden, um das Objekt aufnehmen zu können. Um das Objekt translatorisch und bzw. oder rotatorisch bewegen zu können muss das gesamte Greifsystem, inklusive Objekt, von der tragenden Struktur bewegt werden.

Solche Greifsysteme müssen zum Objekt ausgerichtet werden und können dieses nicht eigenständig rotatorisch und translatorisch bewegen.

Bei starrer Bindung des Objektes an das Greifsystem sind die Möglichkeiten der Handhabung des Objektes an die Eigenschaften der das Greifersystem tragenden Struktur gebunden. Bei der Verwendung von Robotern mit serieller Kinematik wirkt sich beispielsweise die Dynamik des Roboters beschränkend auf die Dynamik der Objektbewegung aus.

Ist beispielsweise der, das Greifsystem führende Roboter langsam, so kann das Objekt auch nur langsam bewegt werden.

Bei der Verwendung eines industriellen Greifsystems, das von einem Roboter mit parallelkinematischem Aufbau getragen wird, ist das Greifobjekt kein notwendiges Getriebeglied in der parallelkinematischen Struktur, da diese Struktur schon vor dem Greifvorgang besteht und ohne das Objekt bewegt werden kann. Struktur und kinematische Abmessungen werden durch die Aufnahme des Objektes nicht verändert, sodass der Arbeitsraum vorgegeben ist und die maximale Traglast durch die Antriebe begrenzt ist.

Das gesamte Handhabungssystem, bestehend aus Greifsystem und Roboter mit parallelkinematischem Aufbau, kann sich nicht individuell an die jeweilige Handhabungsaufgabe anpassen. Alle Greifobjekte können nur im gleichen Arbeitsraum bewegt werden

Heutige Industriegreifer sind meist auf einen oder wenige Greifanwendungen hin optimiert ausgelegt und besitzen ein begrenztes Spektrum an greifbaren Objekten. Greifer mit schwenk- oder parallel verschiebbaren Greifzangen, wie z.B. Parallel-, Winkel-, Dreibacken-, oder Großhubgreifer klemmen das Objekt entweder zwischen den Greifflächen ein oder bilden eine formschlüssige Verbindung mit dem Objekt. Das Greifen von Objekten mit stark unterschiedlichen Formen wie z.B. Quader, Kegel und komplexes Blechbiegeteil nacheinander ist problematisch. Ebenso kann die greifbare Objektgröße durch die Abmessungen des Greifers beschränkt werden. Die greifbare Objektform ist vom Aufbau des Greifsystems und von der Ausführung der Greifzangen abhängig. Die Greifsysteme sind somit an eine oder einige wenige Objektformen gebunden. Die Kontaktstellen zwischen Greifobjekt und Greifsystem sind nicht frei wählbar.

Greifsysteme, die über mehrere haftende Elemente, wie z.B. Saugnäpfe oder Elektro-Magnete, die Objekte aufnehmen, verteilen die Greifkräfte auf mehrere Kontaktstellen und entlasten das Objekt Sind z.B. Blechteile zu handhaben, ist diese Kraftverteilung zweckmäßig. Bei räumlicher Ausprägung der Blechteile ist es meist nicht möglich die Kontaktstellen der haftenden Elemente in einer Ebene anzuordnen. Eine räumliche Anordnung der haftenden Elemente entsprechend der Lagen der Kontaktstellen am Objekt, ist auf eine bestimmte Geometrie festgelegt. Soll ein Objekt mit anderer Form gegriffen werden, muss der Aufbau des Greifers angepasst werden.

Die Anordnung und Position der Kontaktstellen kann nicht schnell, frei und individuell auf jedes Greifobjekt angepasst werden. Somit ist ein Umbau der Struktur des Greifsystems zeitaufwändig. Eine automatische Verstellung der Haftstellen bietet nur begrenzte Flexibilität.

Der Einsatz heutiger Industriegreifsysteme an Robotern mit parallelkinematischer Struktur zur Verbesserung der Dynamik bei der Handhabung von Objekten schränkt den Handhabungsraum des Objektes ein. Schwenkbewegungen des Objektes sind von der Schwenkbewegung des Greifsystems abhängig. Somit sind Schwenkungen des Objektes von über ±90° um jede Achse im Raum nur mit speziellen parallelkinematischen Strukturen und bei ungünstigen Kraftangriffsverhältnissen möglich. Eine Objektdrehung über 360° um jede Achse im Raum ist nicht möglich. Die flexiblen Greifsysteme aus Forschung und Entwicklung sind in Form und Funktion der menschlichen Hand entsprechend ausgeführt. Das Objekt wird dabei zwischen den Fingern eingeklemmt. Die Normalkraft, die die Reibung zwischen Objekt und Finger erzeugt, wird durch die Antriebe in den Fingern erzeugt. Das Gelenk zwischen Objekt und Finger basiert auf Kraftschluss. Das Objekt kann in dieser Struktur nicht als vollwertiges Getriebeglied angesehen werden, da sich die Finger unabhängig voneinander bewegen und stets das Objekt, als einziges Getriebeglied aktiv in der Struktur, bestehend aus Hand und Objekt, halten müssen. Da das Objekt keine eindeutige gelenkige Verbindung zum Greifer, z.B. in Form eines formschlüssigen Gelenkes mit einem Freiheitsgrad von eins, zwei oder drei, besitzt, kann bei fehlerhafter Ansteuerung der Finger diese Struktur unbeabsichtigt und leicht aufgelöst werden und das Objekt innerhalb des Greifers verrutschen oder herunterfallen.

Greifer mit einem kinematischen Aufbau entsprechend der menschlichen Hand müssen das Objekt zwischen den Fingern einklemmen. Dazu sind zusätzliche Antriebe erforderlich, die eine Reibkraft am Objekt aufbauen. Bei einer freien Bewegung eines Objektes – translatorisch und rotatorisch – im Raum mit sechs Freiheitsgraden sind mindestens drei Antriebe pro Finger notwendig, um das Objekt von mindestens drei Fingern in jeder Lage halten zu können. Für einen Objektfreiheitsgrad von sechs sind somit mindestens neun aktive Antriebe in den Fingern notwendig, die alle gleichzeitig angesteuert werden müssen. Dieses ist nur mit einem hohen Aufwand in der Steuerung möglich, da mit den Antrieben das Objekt zwischen den Fingern gehalten und bewegt werden muss.

Die hohen Anforderungen an die Steuerung von handähnlichen Greifsystemen und die fehlende kinematische Bindung der Finger an das Objekt wirken negativ auf eine schnelle dynamische und gleichzeitig präzise Objektbewegung.

Die Objektbewegung bei der Manipulation mit handähnlichen Greifern ist langsam und unpräzise.

Werden Greifsysteme verwendet, die über ein Anpressen von Kontaktflächen am Objekt Reibung erzeugen, um das Objekt zu halten, entsteht eine unnötige Druckbelastung am Objekt, die nicht zur Bewegung des Objektes beiträgt. Das Objekt wird somit zusätzlich zu den Belastungen, die durch die bewegungserzeugenden Kräfte entstehen, lokal an mehreren Stellen durch einklemmende Druckkräfte belastet. Dieses kann zur Beschädigung bei der Handhabung von zerbrechlichen Objekten führen.

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP kann durch die Einbindung des Objektes in eine parallelkinematische Struktur endsprechend dem Abschnitt „Beschreibung der Erfindung PARAGRIP" die Nachteile heutiger Greifsysteme umgehen.

Dadurch entstehen die folgenden Vorteile des Greif- und Handhabungssystems PARAGRIP gegenüber heutigen Greifsystemen:
Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP kann Objekte, die sich in Reichweite der Fingermechanismen befinden aufnehmen und eigenständig bewegen, ohne dass das Greif- und Handhabungssystem genau auf das Objekt ausgerichtet ist oder bewegt werden muss.

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP ist unabhängig von der tragenden Struktur, da die Objektbewegung auch eigenständig durch das Greif- und Handhabungssystem erfolgen kann. Die kinematische Struktur aus Greif- und Handhabungssystem und Greifobjekt besitzt auf Grund ihres parallelkinematischen Aufbaus hervorragende dynamische Eigenschaften, so dass das Objekt sehr schnell und mit einer hohen Beschleunigung bewegt werden kann.

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP bildet bei jedem Greifen des Objektes eine neue Struktur mit parallelkinematischem Aufbau. Das Objekt ist als notwendiges Getriebeglied, z.B. als Plattform in die Struktur gebunden und verbindet die Fingermechanismen über Gelenke miteinander. Einige kinematische Abmessungen der parallelkinematischen Struktur können somit bei jedem Greifen gezielt in Hinblick auf die Handhabungsaufgabe gewählt werden, so dass der Arbeitsraum und die Übertragungswinkel in der parallelkinemtischen Struktur optimal an die geforderte Bewegung angepasst werden kann.

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP ist nicht an Formen und Größenabmessungen der Greifobjekte gebunden, da es an jeder Stelle des Objektes, an denen die Fingerkuppen eine haftende Kraft oder einen Formschluss erzeugen können, die Kontaktpunkte setzen kann. Das form- und größenunabhängige Greifprinzip von PARAGRIP ermöglicht die Handhabung eines sehr breiten Spektrums an Objekten mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen.

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP greift das Objekt mit haftenden oder formschlüssigen Elementen an mehreren Stellen. Diese werden einzeln und aktiv an das Objekt gesetzt, sodass Objekte mit unterschiedlichen Formen gegriffen werden können, ohne den Aufbau des Greif- und Handhabungssystems PARAGRIP anpassen zu müssen. Da bei jedem Greifen eine parallelkinematische Struktur neu gebildet wird, ist ein schnelles hintereinander Handhaben von Objekten mit unterschiedlichen Formen möglich.

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP kann die parallelkinematische Struktur durch eine gezielte Einbindung von einzelnen oder mehreren zusätzlichen Fingermechanismen während des Handhabens so verändern, dass bewegungsbegrenzende ungünstige Stellungen von Getriebeglieder vermieden werden und eine freie Objektdrehung von über 360° um jede Achse im Raum möglich ist.

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP bindet das Objekt als vollwertiges Getriebeglied in die parallelkinematische Struktur. Die gelenkige Verbindung der Fingermechanismen zum Objekt überträgt Druck, Zug- und Scherkräfte sowie, je nach Ausführung des Gelenkes Momente. Die Fingermechanismen sind über das Objekt kinematisch miteinander verbunden und nur abhängig voneinander zu bewegen. Das Objekt kann nur durch beabsichtigtes Aufheben der Bindungskraft oder durch eine Kraft, die die Struktur zerreißen kann, gelöst werden. Das Objekt wird über die definierten Bindungen sicher vom Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP gehalten und kann nicht unbeabsichtigt herunterfallen.

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP besitzt Fingerkuppen, die die Fingermechanismen gelenkig mit dem Objekt verbinden. Da die Fingerkuppen die Bindung zum Objekt über haftende Elemente, wie z.B. Elektro-Magnete oder Saugnäpfe herstellen und die Haftkraft selber erzeugen, werden keine zusätzlichen Antriebe in den Fingermechanismen benötigt, um eine Verbindung von Fingermechanismus und Objekt sicher zu stellen. Die parallelkinematische Struktur, bestehend aus Greifsystem und Objekt kann somit genau die Anzahl an Antrieben besitzen, die dem Objektfreiheitsgrad entspricht. Für die räumliche Handhabung eines Objektes sind somit genau sechs Antriebe notwendig, um das Objekt definiert und eindeutig positionieren und orientieren zu können. Die Steuerung der Antriebe zur Objektbewegung ist eindeutig und kann einen vereinfachten Aufbau besitzen, da weniger Antriebe für die Bewegung des Objektes benötigt werden.

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP kann durch die parallelkinematische Struktur gezielt Zwangkräfte am Objekt erzeugen und eine hohe Objektbeschleunigung bei gleichzeitiger präziser Objektpositionierung und – orientierung erzeugen. Die parallelkinematische Struktur besitzt dabei durch die geschlossenen kinematischen Teilketten und die Verwendung von kinematisch eindeutigen Gelenken eine höhere Steifigkeit und Genauigkeit.

Das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP erzeugt keine einklemmenden Druckkräfte um das Objekt zu halten. Die Bindungskräfte werden von haftenden oder formschlüssigen Elementen erzeugt. Das Objekt wird somit bei der Handhabung entlastet.

Die Erfindung bezieht sich auf das Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP. Dieses hat die Funktion Objekte zu greifen und zu manipulieren, d.h. translatorisch und rotatorisch bewegen zu können. Hierzu ist für die Bewegung des Objektes ein Schwenken oder Verschieben der Greifereinheit durch eine tragende Primärstruktur, wie z.B. einen Roboter nicht notwendig.
Die zu greifenden Objekte können dabei unterschiedliche geometrische Formen, Größen, Materialen und Oberflächeneigenschaften besitzen.
Durch das Greifsystem PARAPRIP erfolgt die Bewegung des Objektes durch Zwangskräfte, die durch eine kinematische Bindung von Greifobjekt und Greiferstruktur auf das Greifobjekt wirken.
Dabei wird das Objekt beim Greifen so vom Greif- und Handhabungssystem PARAGRIP aufgenommen, dass zusammen mit dem Greifobjekt eine neue Struktur mit parallelkinematischem Aufbau gebildet wird. Das Greifobjekt wird in dieser Struktur als vollwertiges und notwendiges Getriebeglied eingebunden.
Das Greif- und Handhabungssystem besteht entsprechend der 1 vor und während des Greifvorganges aus einer Basis (1) und mehreren Fingermechanismen (in den folgenden Figuren werden beispielsweise vier Fingermechanismen verwendet) (2a, 2b, 2c, 2d), die einzeln und unabhängig voneinander ansteuer- und verstellbar sind. Unter Greifvorgang wird hierbei der Vorgang verstanden, bei dem noch nicht alle erforderlichen Fingermechanismen über die Fingerkuppen Kontakt zum Objekt hergestellt haben. Das zu greifende Objekt (5) steht dabei noch nicht in Kontakt mit dem Greifsystem. Die Fingermechanismen sind über Gelenke (6a, 6b, 6c, 6d) beweglich mit der Basis verbunden.
Die Fingermechanismen können dabei eine parallele, serielle oder hybride kinematische Struktur besitzen. Die 1 zeigt schematisch eine mögliche räumliche Ausführung des Greifsystems mit vier Fingermechanismen, die aus mehreren Gelenken und Getriebegliedern aufgebaut sind, welche in den Figuren als Komplexgelenke (3a, 3b, 3c, 3d) zusammengefasst werden.
Die Anzahl der Antriebe ist so gewählt, dass die Fingerkuppen (4a, 4b, 4c, 4d), welche mit den Fingermechanismen (2a, 2b, 2c, 2d) verbunden sind, eindeutig und definiert im Raum oder in der Ebene positioniert oder positioniert und orientiert werden können.
Das Greif- und Handhabungssystem besitzt nach Beendigung des Greifvorgangs eine parallelkinematische Struktur, die zusammen mit dem gegriffenen Objekt (5) gebildet wird. Dabei entsteht diese parallelkinematische Struktur erst bei der Bindung der Fingerkuppen (4a, 4b, 4c, 4d) mit dem Greifobjekt. Das Greifobjekt ist dann als vollwertiges Getriebeglied anzusehen, welches gemäß 2 über die Fingerkuppen gelenkig mit den benachbarten Getriebegliedern der Fingermechanismen (2a, 2b, 2c, 2d) verbunden ist. Die Fingermechanismen sind in dieser Phase kinematisch über das Greifobjekt aneinander gebunden und können i.A. nur abhängig voneinander bewegt werden.
Das Greifersystem kann durch die unabhängige Bewegung der Fingermechanismen beim Greifvorgang eine Bindung der Fingerkuppe zum Objekt an unterschiedlichen Bereichen des Objektes herstellen, um im Hinblick auf die Handhabungsaufgabe die kinematischen Abmessungen der gebildeten parallelkinematische Struktur optimal festzulegen. Die 4 und 5 zeigen schematisch in einem Beispiel die veränderten kinematischen Abmessungen bei unterschiedlichen Fingerkuppenpositionen am Objekt.
In dem Beispiel aus 2 ist das Objekt als Plattform (5) in die parallelkinematische Struktur eingebunden und bildet zusammen mit der Basis (1) und den drei Komplexgelenken (3a, 3b, 3c) der Fingermechanismen entsprechend 3 drei geschlossene kinematische Teilketten (8a, 8b, 8c). Die Komplexgelenke der angetriebenen Fingermechanismen besitzen den für die gewünschte Bewegung der parallelkinematischen Struktur notwendigen Freiheitsgrad. Ein Komplexgelenk (3d) eines Fingermechanismus ist nicht in die parallelkinematische Struktur eingebunden und hat in dieser Stellung keinen Einfluss auf die Bewegung des Objektes.
Da das Objekt Teil der Struktur des Mechanismus ist, wird genau die Anzahl an Antrieben in der parallelkinematischen Struktur des Greifersystems benötigt und verwendet, die dem gewünschten Freiheitsgrad des Objektes entspricht, um eine eindeutige und definierte Bewegung des Objektes im Raum oder in der Ebene ausführen zu können.
Die Anzahl der erforderlichen Antriebe beim Greifvorgang und nach dem Greifvorgang kann verschieden sein. Nicht benötigte Antriebe werden entkoppelt oder passiv mitgeführt.
Antriebe, die für eine definierte Bewegung nicht notwendig sind, können temporär zusätzlich zur parallelkinematischen Struktur zugeschaltet werden, sodass ein redundantes System entsteht. Somit können ungünstige Gliedstellungen der Fingermechanismen, wie z.B. Singularitäten umgangen werden.
Zusätzlich zu den Fingermechanismen des Greifersystems, die mit dem Objekt eine parallelkinematische Struktur bilden, kann das Greif- und Handhabungssystem ein oder mehrere weitere Fingermechanismen (6d) besitzen, die nicht mit dem Objekt in Kontakt stehen, wie in 2 beispielsweise dargestellt wird.
Diese zusätzlichen Fingermechanismen können bei Bedarf in die parallelkinematische Struktur so eingebunden werden, dass eine neue parallelkinematische Struktur mit veränderten kinematischen Abmessungen entsteht, wie in den 6 und 7 beispielsweise gezeigt wird. Die Gesamtanzahl der Antriebe der parallelkinematischen Struktur wird dabei nicht verändert, sodass beispielsweise andere Fingermechanismen aus der Struktur oder Antriebe entfernt werden müssen.
Ein solches Verändern der parallelkinematischen Struktur kann eingesetzt werden, um ungünstige Stellungen der Fingermechanismen, bzw. singuläre Stellungen zu umgehen und den Arbeitsraum zu vergrößern. Ein freies Drehen des Objektes im Raum über 360° um alle Achsen kann zum Beispiel hierdurch ermöglicht werden.
Kraft-, form- oder stoffschlüssige Bindung der Fingerkuppen an das Objekt überträgt sowohl Druck- als auch Zug- und Scherkräfte sowie Momente. Durch die Bindung der Fingerkuppen an das Objekt wird ein Gelenk erzeugt, das einen für die Bewegung der parallelkinematischen Struktur erforderlichen Freiheitsgrad besitzt. Im Falle einer kraftschlüssigen Kopplung können die Fingerkuppen z.B. Magnet-, Saugnapf- oder andere haftende Elemente enthalten, die eine Kraft- bzw. Momenteneinleitung von den Fingermechanismen auf das Objekt sichern.
Eine Fingerkuppe, die das Greifsystem über eine aus einer Normalkraft resultierenden Reibkraft, die durch einen oder mehrere Antriebe der Fingermechanismen erzeugt wird, mit dem Objekt verbindet, erzeugt nicht die geschlossenen kinematischen Ketten, die für die in Abschnitt [0031] beschriebene parallelkinematische Struktur mit dem Objekt notwendig sind.
Die Struktur des Greifsystems PARAGRIP kann aus einem Baukastensystem aufgebaut sein, sodass die Struktur und die Abmessungen auf die jeweilige Greif- und Handhabungsaufgabe automatisch oder manuell angepasst werden können.
Zur besseren Anschauung sind in 8 die Komplexgelenke (3a, 3b, 3c) beispielhaft als fünfgliedrige Kurbelgetriebe (9a, 9b, 9c) mit Drehgelenken und drehbar gelagerten Gestellelementen (11a, 11b, 11c) ausgeführt und schematisch dargestellt. Jeder Fingermechanismus besitzt in diesem Beispiel drei Antriebe während und zwei Antriebe nach dem Greifvorgang, da beispielsweise bei einem gewünschten Objektfreiheitsgrad von sechs, genau sechs angetriebene kinematische Teilketten in der parallelkinematischen Struktur für eine definierte und eindeutige Bewegung des Objektes erforderlich sind. Ein oder mehrere zusätzliche Fingermechanismen, die entsprechend Abschnitt [0038] nicht in die parallelkinematische Struktur eingebunden sind, werden in der 8 nicht dargestellt. Die Fingerkuppen (4a, 4b, 4c) besitzen in diesem Beispiel ein Gelenk mit dem Gelenkfreiheitsgrad von drei und sind beispielsweise als Kugelgelenke (12a, 12b, 12c) mit Haftelementen (13a, 13b, 13c) dargestellt.
1 zeigt den schematischen Aufbau einer möglichen Aufführung von PARAGRIP mit einer Basis (1) und beispielsweise vier Fingermechanismen (2a, 2b, 2c, 2d), die allgemein als Komplexgelenke (3a, 3b, 3c, 3d) dargestellt sind sowie vier Fingerkuppen (4a, 4b, 4c, 4d). Das Greifobjekt (5), das beispielsweise durch einen Würfel dargestellt ist, ist nicht in Kontakt mit den Fingerkuppen des Greifers. Somit ist hier eine Situation vor oder während des Greifvorgangs dargestellt.
2 zeigt die gleiche mögliche Ausführung wie 1 nach der Greifphase. Drei Fingermechanismen (2a, 2b, 2c) stehen über die drei Fingerkuppen (4a, 4b, 4c) im Kontakt mit dem Objekt (5) und können über definierte Gelenke Zwangskräfte, die auf das Objekt übertragen werden, eine definierte und eindeutige Objektbewegung erzeugen.
3 zeigt die geschlossenen kinematischen Ketten der parallelkinematischen Struktur, die bei einer Einbindung des Objektes gemäß 2 entstehen.
4 und 5 zeigen die Veränderungen in den kinematischen Abmessungen der parallelkinematischen Struktur, die durch das Einbinden des Objektes als Plattform gebildet wird, bei unterschiedlichen Positionen der gleichen Fingerkuppen am Objekt. Im Eingriff sind die Fingermechanismen K₁, K₂, K₃ bei unterschiedlichen Kontaktpunkten.
6 und 7 zeigen die Veränderungen in den kinematischen Abmessungen der parallelkinematischen Struktur, beim Einsatz von unterschiedlichen Fingermechanismen. Im Eingriff sind hier die Fingermechanismen K₁, K₂, K₃ in 6 und K₁, K₂, K₄ in 7.
8 zeigt eine mögliche Ausführung der Komplexgelenke (3a, 3b, 3c) als fünfgliedrige Kurbelgetriebe (9a, 9b, 9c) mit Drehgelenken. Ein vierter nicht an der Objektbewegung beteiligter Finger aus 2 ist hier nicht dargestellt. Die Fingerkuppen (4a, 4b, 4c) bestehen in diesem Beispiel im Wesentlichen aus Gelenken (12a, 12b, 12c), die hier als Kugelgelenke mit einem Freiheitsgrad von drei ausgeführt sind und haftenden Elementen (13a, 13b, 13c). Die Gestellglieder (11a, 11b, 11c) der fünfgliedrigen Kurbelgetriebe sind drehbar mit der Basis (1) der parallelkinematischen Struktur verbunden. Die Basis (1) kann z.B. das Gestell eines Bearbeitungszentrums sein.

Claims

Mechanismus zum Greifen und Handhaben von Objekten dadurch gekennzeichnet, dass beim Greifen mit dem Objekt und dem Greif- und Handhabungssystem zusammen eine parallelkinematische Struktur entsteht, bei der das Objekt als vollwertiges und für die Struktur notwendiges Getriebeglied in die Struktur integriert wird, welche genau die Anzahl an Antrieben besitzt, die entsprechend des gewünschten Objektfreiheitsgrades erforderlich ist, um das Objekt definiert und eindeutig nur durch das Greif- und Handhabungssystem alleine bewegen zu können.
Greif- und Handhabungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen den Fingerkuppen des Greifers und dem Objekt zur Einbindung des Objektes in die Greiferstruktur gemäß Anspruch 1 Druck-, Zug- und Scherkräfte sowie Momente übertragen kann.
Greif- und Handhabungssystem nach einem der vorangegangen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Greifersystem das Objekt greifen und manipulieren, d.h. translatorisch und rotatorisch bewegen kann, ohne den gesamten Greifer durch eine den Greifer tragenden Struktur zu schwenken oder zu verschieben.
Greif- und Handhabungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zu greifende Objekt unterschiedliche Formen, Größen und Materialen besitzen kann.
Greif- und Handhabungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch unterschiedliche Anordnungen und Positionen der Kontaktpunkte des Greifers am Objekt die kinematischen Abmessungen der parallelkinematischen Struktur aus Anspruch 1 entsprechend der jeweiligen Handhabungsaufgabe gewählt und verändert werden können.
Greif- und Handhabungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen der Fingermechanismen in der Greifphase eindeutig und definiert durch die Antriebe vorgegeben werden.
Greif- und Handhabungssystem nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Lage oder die Lage und Orientierung der Kontaktflächen der Fingerkuppen eindeutig vorgegeben werden können.
Greif- und Handhabungssystem nach Ansprüche 1, 3 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der notwendigen Antriebe um die Fingermechanismen und das Objekt bewegen zu können, verschieden sein kann.
Greif- und Handhabungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Fingermechanismen aus kinematischen Einheiten bestehen, die vor und während der Greifphase unabhängig voneinander bewegt werden können.
Greif- und Handhabungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Fingermechanismen nach der Greifphase bei der Handhabung des Objektes Teil einer parallelkinematischen Struktur sind und i.A. nur abhängig von einander bewegt werden können, da sie kinematisch über das Greifobjekt aneinander gebunden sind.
Greif- und Handhabungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Greif- und Handhabungssystem aus einem Baukastensystem aufgebaut sein kann, die Struktur und Abmessungen des Greif- und Handhabungssystems auf die jeweilige Greif- und Handhabungsaufgabe automatisch oder manuell angepasst werden können
Greif- und Handhabungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Greif- und Handhabungssystem einen oder mehrere zusätzliche Fingermechanismen besitzen kann, die temporär mit dem Objekt so eingebunden werden können, dass eine neue parallelkinematische Struktur mit veränderten kinematischen Abmessungen entsteht.
Greif- und Handhabungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Greif- und Handhabungssystem an ein Handhabungsgerät angebracht ist und von diesem mitgeführt wird.
Greif- und Handhabungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Greif- und Handhabungssystem ohne vorgeschaltete Primärstruktur (wie z.B. einem Roboter) die Objekte eigenständig z.B. in einem Bearbeitungszentrum handhaben kann, sodass die Kombination Roboter mit Greifer ersetzt wird.