DE102010003697A1 - Handling device i.e. active flange, for manipulating and positioning e.g. workpiece, during e.g. stacking process, has regulating device controlling contact force between device and surface area of object based on predetermined force curve - Google Patents

Handling device i.e. active flange, for manipulating and positioning e.g. workpiece, during e.g. stacking process, has regulating device controlling contact force between device and surface area of object based on predetermined force curve Download PDF

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Abstract

The device (30') has a mechanical interface connecting the device with a manipulator (20) i.e. robot-supported automated grinder, with an industrial robot, in a releasable/fixed manner. A movable support is provided relative to the interface for receiving a tool (40) i.e. grinding machine. A gearless, friction-free position element positions the support relative to the interface. A sensor device directly or indirectly determines force affecting the position element. A regulating device controls contact force between the device and a surface area of object based on a predetermined force curve. The position element is designed as a linear actuator, a pistonless pneumatic actuator, a static friction-free pneumatic cylinder or an electric, gearless direct drive. An independent claim is also included for a method for handling of objects using a handling device for working on a surface area of the object with a manipulator.

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Handhabungsvorrichtung sowie ein Verfahren für automatisierte Kontaktaufgaben (Manipulier- und Positionieraufgaben) wie z. B. das robotergestützte Bearbeiten von Oberflächen oder Manipulieren von Maschinenelementen oder Werkstücken bei Vorgängen wie z. B. dem Montieren, Stapeln, Sortieren, etc.The invention relates to an active handling device and a method for automated contact tasks (manipulation and positioning tasks) such. As the robot-assisted machining of surfaces or manipulating machine elements or workpieces in operations such. As the mounting, stacking, sorting, etc.

Es sind unterschiedliche Vorrichtungen für robotergestützte, automatisierte Kontaktaufgaben wie z. B. das Bearbeiten von Oberflächen (Schleifen, Polieren, etc.) sowie das Manipulieren von Werkstücken oder Maschinenelementen (Stapeln, Palettieren, Montieren, etc.) bekannt. Als Beispiel sei die in der Publikation US 5,299,389 beschriebene Schleifvorrichtung genannt. Bei dieser Vorrichtung wird durch einen Industrieroboter eine rotierende Schleifscheibe auf die zu schleifende Oberfläche hin bewegt. Der Kontakt zwischen Schleifscheibe und Oberfläche wird über den Laststrom des die Schleifscheibe antreibenden Motors erkannt, was eine für viele Anwendungen zu ungenaue Methode darstellt. Generell besteht bei robotergestützten automatisierten Systemen, bei denen der Roboter einen Gegenstand berührt das Problem, den Kontaktzeitpunkt zu erkennen und die Kontaktkraft zu regeln.There are different devices for robot-based, automated contact tasks such. As the editing of surfaces (grinding, polishing, etc.) and the manipulation of workpieces or machine elements (stacking, palletizing, mounting, etc.) known. As an example, in the publication US 5,299,389 called grinding device described. In this device, a rotating grinding wheel is moved by an industrial robot on the surface to be ground. The contact between the grinding wheel and the surface is detected by the load current of the motor driving the grinding wheel, which is an inaccurate method for many applications. In general, robotic automated systems in which the robot touches an object have the problem of detecting the contact time and regulating the contact force.

Selbst bei modernen, kraftgeregelten Systemen tritt zunächst beim Kontakt zwischen dem am Roboter gelagerten Werkzeug und der zu kontaktierenden Oberfläche eine stoßförmige Kontaktkraft auf, die in vielen Fällen unproblematisch sein mag, jedoch in Anwendungen, bei denen es auf Präzision ankommt oder sehr empfindliche Werkstücke be- oder verarbeitet werden müssen, äußerst störend und unerwünscht ist. Eine Kontaktkraftregelung ist erst möglich, nachdem der Roboter die Oberfläche kontaktiert hat, und somit ist die erwähnte stoßförmige Kontaktkraft in praktischen Anwendungen ein notwendiges Übel, welches zwar reduziert (z. B. durch Einfügung eines passiv nachgiebigen Elementes im Antriebsstrang), aber nicht eliminiert werden kann. Eine passive Nachgiebigkeit nach Art einer Feder wirkt jedoch unkontrolliert und kann den gewünschten Prozessablauf stören.Even in modern, force-controlled systems, contact between the tool mounted on the robot and the surface to be contacted causes a shock-like contact force, which in many cases may be unproblematic, but in applications where precision is important or very delicate workpieces are involved. or must be processed, extremely disturbing and undesirable. A contact force control is only possible after the robot has contacted the surface, and thus the mentioned impact force is a necessary evil in practical applications which, although reduced (eg by insertion of a passive compliant member in the drive train), is not eliminated can. However, a passive resilience in the manner of a spring acts uncontrolled and can interfere with the desired process flow.

Bekannte kraftgeregelte Systeme können bei sehr schnellen (d. h. hochfrequenten) Störungen, wie z. B. Stöße oder Schläge, häufig nicht schnell genug reagieren, da der geregelte Antriebsstrang eine gewissen Trägheit aufweist, was eine entsprechende Reaktionszeit zur Folge hat. Bei starren Systemen (wie z. B. Standard-Industrieroboter) haben daher kleinste Verschiebungen, wenn sie zu schnell erfolgen, bereits einen hohen Anstieg in der Kraft zur Folge.Known force-controlled systems can be used in the case of very fast (that is to say high-frequency) disturbances, such as, for example, high-frequency disturbances. B. shocks or blows, often not respond fast enough, since the regulated drive train has a certain inertia, which has a corresponding reaction time. For rigid systems (such as standard industrial robots), therefore, even minute shifts, if done too quickly, will already result in a large increase in force.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine aktive Handhabungsvorrichtung (Effektor) für einen Manipulator zur Verfügung zu stellen, die dazu ausgebildet ist, Oberflächen praktisch stoßfrei zu kontaktieren und anschließend die Kontaktkraft ruckfrei zu regeln.The object underlying the invention is to provide an active handling device (effector) for a manipulator, which is designed to contact surfaces virtually bum-free and then to regulate the contact force smoothly.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Unterschiedliche, beispielhafte Ausgestaltungen und Verwendungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the device according to claim 1. Different exemplary embodiments and uses of the device are the subject of the dependent claims.

Es wird eine Handhabungsvorrichtung für automatisierte oder robotergestützte Kontaktaufgaben offenbart. Die Handhabungsvorrichtung weist folgende Komponenten auf: eine mechanische Schnittstelle zur lösbaren oder festen Verbindung der Handhabungsvorrichtung mit einem Manipulator, eine relativ zu der Schnittstelle bewegbare Halterung zur Aufnahme eines Werkzeuges; mindestens ein haftreibungsfreies Stellelement zur Positionierung der Halterung relativ zur Schnittstelle zum Manipulator; eine Sensoreinrichtung zur direkten oder indirekten Messung der auf das mindestens eine Stellelement wirkenden Kraft; und eine Regeleinrichtung, die dazu ausgebildet ist, bei Kontakt zwischen der Handhabungsvorrichtung und einer Oberfläche die Kontaktkraft nach Maßgabe eines vorgebbaren Kraftverlaufs zu regeln.A handling device for automated or robot-assisted contact tasks is disclosed. The handling device has the following components: a mechanical interface for releasable or fixed connection of the handling device with a manipulator, a relative to the interface movable holder for receiving a tool; at least one static-free actuating element for positioning the holder relative to the interface to the manipulator; a sensor device for direct or indirect measurement of the force acting on the at least one actuating element force; and a control device, which is designed to regulate the contact force in accordance with a predeterminable force curve upon contact between the handling device and a surface.

Eine Voraussetzung für die Haftreibungs- und Ruckfreiheit des Stellelemente ist die Verwendung getriebeloser Aktoren. Derartige Aktoren sind z. B. kolbenlose, pneumatische Aktoren (Balgzylinder und Luftmuskel), Pneumatikzylinder mit haftreibungsfrei gelagertem Kolben (z. B. Glaszylinder mit Graphitkoben) und getriebelose, elektrische Lineareinheiten mit haftreibungsfrei gelagertem (z. B. luft- oder magnetgelagertem) Anker.A prerequisite for the static friction and jerk freedom of the control elements is the use of gearless actuators. Such actuators are z. B. piston-free, pneumatic actuators (bellows cylinder and air muscle), pneumatic cylinder with friction-free stored piston (eg., Glass cylinder with Graphitkoben) and gearless, electrical linear units with friction-free stored (eg air or magnetgelagertem) anchor.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den folgenden Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to the embodiments illustrated in the following figures.

1 ist eine Darstellung einer robotergestützten automatisierten Schleifeinrichtung mit einem Manipulator, einer Schleifmaschine und einem zwischen Manipulator und Schleifmaschine angeordneten Handhabungsvorrichtung für die Schleifmaschine; 1 Figure 3 is an illustration of a robotic automated grinder including a manipulator, a grinder, and a handling device for the grinder disposed between the manipulator and the grinder;

2 illustriert anhand einer schematischen Skizze ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad, wobei als Aktor ein gegen eine Federkraft arbeitender Balgzylinder vorgesehen ist; 2 illustrated by a schematic sketch of an example of a handling device according to the invention with a degree of freedom, being provided as an actuator operating against a spring force bellows cylinder;

3 zeigt eine detailliere Schnittdarstellung durch eine gemäß dem Beispiel aus 2 aufgebaute Handhabungsvorrichtung; 3 shows a detailed sectional view through one according to the example 2 constructed handling device;

4 illustriert anhand eine schematisches Skizze ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad, wobei als Aktor ein gegen eine Federkraft arbeitender Luftmuskel vorgesehen ist; 4 illustrates with reference to a schematic sketch, another example of a handling device according to the invention with a degree of freedom, being provided as an actuator operating against a spring force air muscle;

5 illustriert anhand einer schematischen Skizze ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung mit drei Freiheitsgraden, wobei als Aktoren drei gegen eine Federkraft arbeitende Balgzylinder vorgesehen sind; 5 illustrated by a schematic sketch of another example of a handling device according to the invention with three degrees of freedom, being provided as actuators three working against a spring force bellows cylinder;

6 illustriert die Kraft-Weg-Kennlinien von Federn und Balgzylindern sowie eine angepasste Federkennlinie; 6 illustrates the force-displacement characteristics of springs and bellows cylinders as well as an adapted spring characteristic;

7 zeigt einen Hebelmechanismus zum Anpassen der Kraft-Weg-Kennlinie einer Feder; und 7 shows a lever mechanism for adjusting the force-displacement characteristic of a spring; and

8 illustriert (a) den durch den Mechanismus aus 7 festgelegten Zusammenhang zwischen Federlänge und Plattenabstand sowie (b) die angepasste Kraft-Weg-Kennlinie des Mechanismus aus 7. 8th illustrates (a) the mechanism through 7 determined relationship between spring length and plate spacing and (b) the adapted force-displacement curve of the mechanism 7 ,

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleicher bzw. ähnlicher Bedeutung.In the figures, the same reference numerals designate the same or similar components with the same or similar meaning.

1 zeigt als ein Beispiel der Erfindung eine Darstellung einer robotergestützten automatisierten Schleifeinrichtung mit einem Industrieroboter als Manipulator 20, einer Schleifmaschine 40 als Werkzeug und eine zwischen einem Endeffektorflansch 21 des Manipulators 20 und dem Werkzeug 40 angeordnete Handhabungsvorrichtung 30', die im Wesentlichen zur Feinsteuerung oder zur präzisen Regelung der Bewegung des Werkszeugs 40 relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück 50 verwendet wird sowie zur Regelung der vom Werkzeug 40 auf das Werkstück 50 ausgeübten Kraft. Der Aufbau des Manipulators 20 ist im Folgenden von untergeordneter Bedeutung. Im vorliegenden Beispiel wird ein Standard-Industrieroboter mit vier Arm-Segmenten 20a, 20b, 20c und 20d verwendet. Die Aufgabe des Manipulators besteht im Wesentlichen in der Positionierung des Werkzeuges 40 in einer Arbeitsposition an bzw. über dem zu bearbeitenden Werkstück 50. Die genaue Positionsregelung und insbesondere eine präzise Kraftregelung wird mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung 30' durchgeführt. Diese ist im vorliegenden Fall dazu ausgebildet das Werkzeug 40 (Schleifmaschine) auf das Werkstück 50 hin zu bewegen und bei Kontakt eine Kontaktkraft auf das Werkstück 50 auszuüben. So kann z. B. eine Schleifscheibe der Schleifmaschine mit einer bestimmten Kraft auf das Werkstück 50 gepresst werden, um z. B. eine bestimmte Schleifwirkung zu erzielen. Durch die Kraftregelung kann die Kraft z. B. auch dann konstant gehalten werden, wenn die Schleifscheibe zum Teil verschlissen ist. Zur Kraftregelung ist es notwendig, eine Messgröße für die Kontaktkraft zu ermitteln, was z. B. mit Hilfe einer Kraftmessdose oder über den Motorstrom der Schleifmaschine verwirklicht werden kann. Das in 1 gezeigte Beispiel einer automatischen Schleifeinrichtung ist z. B. in der Publikation US 5,299,389 näher erläutert. 1 shows as an example of the invention a representation of a robotic automated grinding device with an industrial robot as a manipulator 20 , a grinder 40 as a tool and one between an end effector flange 21 of the manipulator 20 and the tool 40 arranged handling device 30 ' Essentially for fine control or for precise regulation of movement of the tool 40 relative to a workpiece to be machined 50 is used as well as for the regulation of the tool 40 on the workpiece 50 applied force. The structure of the manipulator 20 is of minor importance in the following. In the present example, a standard industrial robot with four arm segments 20a . 20b . 20c and 20d used. The task of the manipulator consists essentially in the positioning of the tool 40 in a working position on or above the workpiece to be machined 50 , The exact position control, and in particular a precise force control, is achieved with the aid of the handling device 30 ' carried out. This is in the present case designed to the tool 40 (Grinding machine) on the workpiece 50 to move towards and contact a contact force on the workpiece 50 exercise. So z. B. a grinding wheel of the grinding machine with a certain force on the workpiece 50 be pressed to z. B. to achieve a certain grinding effect. Due to the force control, the force z. B. be kept constant even if the grinding wheel is partially worn. For force control, it is necessary to determine a measure of the contact force, which z. B. by means of a load cell or via the motor current of the grinding machine can be realized. This in 1 shown example of an automatic grinder is z. In the publication US 5,299,389 explained in more detail.

Eine präzise Positionierung des Werkzeugs 40 sowie eine Kraftregelung mit dem Manipulator allein wäre zwar prinzipiell möglich, jedoch stellen diese Aufgaben sehr hohe Anforderungen an den Manipulator. Eine präzise Positionierung sowie eine exakte und schnelle Kraftregelung, wie sie z. B. für viele Kontaktaufgaben notwendig ist, ist nur mit sehr teuren Manipulatoren möglich. Aus diesem Grund befindet sich zwischen Endeffektorflansch des Manipulators, und dem eigentlichen Werkzeug (z. B. Schleif- oder Poliermaschine, Greifer, etc ...) eine Handhabungsvorrichtung, die die oben erwähnte Positions- und Kraftregelungsaufgabe übernimmt. Der Genauigkeitsanforderungen an den Manipulator können dann relativ gering ausfallen. Derartige Handhabungsvorrichtungen werden auch als ”aktive Flansche” bezeichnet.A precise positioning of the tool 40 as well as a force control with the manipulator alone would be possible in principle, but these tasks make very high demands on the manipulator. A precise positioning and an accurate and fast force control, as z. B. is necessary for many contact tasks is possible only with very expensive manipulators. For this reason, located between Endeffektorflansch the manipulator, and the actual tool (eg, grinding or polishing machine, gripper, etc ..) A handling device that performs the above-mentioned position and force control task. The accuracy requirements for the manipulator can then be relatively low. Such handling devices are also referred to as "active flanges".

Generell besteht bei robotergestützten bzw. automatisierten Systemen, bei denen der Roboter einen Gegenstand berührt das Problem, den Kontaktzeitpunkt zu erkennen und die Kontaktkraft zu regeln. Eine Kontaktkraftregelung ist erst möglich, nachdem der Roboter die Oberfläche kontaktiert hat. Aus diesem Grund tritt bei allen bekannten, kraftgeregelten Systemen zunächst beim Kontakt zwischen dem am Roboter gelagerten Werkzeug und der zu kontaktierenden Oberfläche eine stoßförmige Kontaktkraft auf. Bei dieser Kollision wirkt nicht nur die Masse (d. h. die Trägheit und damit die kinetische Energie) des Werkzeugs und der Handhabungsvorrichtung, sondern auch die Masse bzw. die kinetische Energie des gesamten Manipulators samt dessen Antriebe. Diese Masse bestimmt im Wesentlichen die (zu vermeidende) Aufprallenergie.In general, in robotic or automated systems where the robot touches an object, the problem is to recognize the contact time and to control the contact force. A contact force control is only possible after the robot has contacted the surface. For this reason, occurs in all known, force-controlled systems initially on contact between the tool mounted on the robot and the surface to be contacted on a shock-shaped contact force. In this collision not only the mass (ie the inertia and thus the kinetic energy) of the tool and the handling device, but also the mass or the kinetic energy of the entire manipulator and its drives acts. This mass essentially determines the (to be avoided) impact energy.

Die resultierende stoßförmige Kontaktkraft mag in vielen Fällen unproblematisch sein, ist jedoch in Anwendungen, bei denen es auf Präzision ankommt oder sehr empfindliche Werkstücke be- oder verarbeitet werden müssen, äußerst störend und unerwünscht. Das heißt, es kommt zu einem Überschwingen der Ist-Kraft im Vergleich zum Soll-Kraftverlauf. Auch während der Bearbeitung einer Oberfläche (oder während des Handhabens eines Gegenstandes) kommt es vor, dass die Position des Werkzeugs nachjustiert werden muss, um die Soll-Kontaktkraft aufrechtzuerhalten. In diesem Fall sind es vor allem Haftreibungseffekte (der sogenannte ”Stick-Slip-Effekt”) welche zu transienten Überschwingen im Kontaktkraftverlauf führen können. Des Weiteren kann bei getriebebehafteten Antrieben das Ineinandergreifen der Zähne der Getrieberäder unerwünschte ruckartige Stöße oder Schwingungen verursachen. Beim Handhaben oder Bearbeiten von Gegenständen können beide Effekte zu Qualitätsproblemen führen.The resulting shock-like contact force may be unproblematic in many cases, but is extremely troublesome and undesirable in applications where precision is important or very delicate workpieces must be processed. That is, there is an overshoot of the actual force compared to the desired force curve. Even during the processing of a surface (or during the handling of an object), it may happen that the position of the tool must be readjusted in order to maintain the desired contact force. In this case, it is above all stiction effects (the so-called "stick-slip effect") which can lead to transient overshoots in the force of contact force. Furthermore, with geared drives the intermeshing of the teeth of the gears cause unwanted jerky shocks or vibrations. When handling or editing objects, both effects can cause quality issues.

Das oben erläuterte Überschwingen wird in der Robotik üblicherweise dadurch reduziert, dass in den Antriebsstrang passive elastische Elemente eingefügt werden. Diese wirken jedoch unkontrolliert und sind damit für präzise Handhabungs- und Kontaktaufgaben nicht verwendbar, da ihr mechanisch definiertes Verhalten (Kraft-Weg-Kennlinie) fest vorgegeben und nicht automatisiert steuerbar ist.The above-discussed overshoot is usually reduced in robotics by inserting passive elastic elements into the powertrain. However, these act uncontrolled and are therefore not suitable for precise handling and contact tasks, since their mechanically defined behavior (force-displacement curve) is fixed and not automatically controlled.

2 zeigt ein Beispiel einer Handhabungsvorrichtung (aktiver Flansch) gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein erster Flanschteil der Vorrichtung bildet eine Schnittstelle 31 zu einem Manipulator (z. B. zum Endeffektorflansch 21 des Manipulators 20 aus 1). Ein zweiter Flanschteil 32 bildet eine Halterung 32 für ein Werkzeug (wie z. B. eine Schleifmaschine oder ein Greifer). Zwischen den beiden Flanschteilen ist ein haftreibungsfreier Linearaktor angeordnet, der im vorliegenden Beispiel als pneumatischer Balgzylinder 34 realisiert ist. Haftreibungsfreie Aktoren sind z. B. Balgzylinder und Luftmuskel (engl.: pneumatic arificial muscles, PAMs). Alternativ kommen auch Pneumatikzylinder mit haftreibungsfrei gelagerten Kolben in Frage, die üblicherweise aus Glas bestehen und mit einem Graphitkolben arbeiten. Eine weitere Alternative stellen elektrische Direktantriebe, insbesondere haftreibungsfrei gelagerte (z. B. kugel-, magnet- oder luftgelagerte), getriebelose Linearantriebe dar. Derartige Antriebe sind auch inhärent elastisch, entweder aufgrund der Kompressibilität der Luft (bei pneumatischen Aktoren) oder aufgrund der magnetischen Rückstellkraft (bei elektrischen Direktantrieben). 2 shows an example of a handling device (active flange) according to the present invention. A first flange part of the device forms an interface 31 to a manipulator (eg to the end effector flange 21 of the manipulator 20 out 1 ). A second flange part 32 forms a holder 32 for a tool (such as a grinder or a gripper). Between the two flange parts a friction-free linear actuator is arranged, which in the present example as a pneumatic bellows cylinder 34 is realized. Stiction-free actuators are z. B. bellows cylinder and pneumatic muscle (English: pneumatic pneumatic muscles, PAMs). Alternatively, pneumatic cylinders with friction-free mounted pistons come into question, which usually consist of glass and work with a graphite piston. Another alternative is provided by electric direct drives, in particular frictionless bearings (eg ball, magnet or air bearing), gearless linear drives. Such drives are also inherently elastic, either due to the compressibility of the air (in the case of pneumatic actuators) or due to the magnetic Restoring force (for direct electrical drives).

Die Vorrichtung umfasst weiter eine Führungseinrichtung 35, die alle Bewegungsfreiheitsgrade sperrt, mit Ausnahme des Freiheitsgrades der Bewegung des haftreibungsfreien Linearaktors 34. Auch die Führungseinrichtung 35 darf keine nennenswerte Haftreibung zwischen ihr und der in ihr geführten Welle 352 zulassen. Diese Haftreibungsfreiheit kann z. B. durch die Verwendung von Wälzlagern wie z. B. Linearkugellager, insbesondere Kugelumlauflager, gewährleistet werden. In dem in 2 dargestellten Beispiel ist eine verdrehgesicherte Wellenführung 35, 352 mit Kugelumlauflager 351 vorgesehen. Damit hat die Handhabungsvorrichtung genau einen Freiheitsgrad, nämlich eine translatorische Bewegung in Richtung der Längsachse 353 der Wellenführung 35, die natürlich parallel zur Längsachse 343 des Linearaktors (Balgzylinder 34) liegt.The device further comprises a guide device 35 , which blocks all degrees of freedom of movement, except for the degree of freedom of movement of the friction-free linear actuator 34 , Also the management facility 35 There must be no appreciable stiction between her and the wave in her 352 allow. This static friction can z. B. by the use of rolling bearings such. B. linear ball bearings, in particular recirculating ball bearings are guaranteed. In the in 2 example shown is a rotation secured wave guide 35 . 352 with ball bearing 351 intended. Thus, the handling device has exactly one degree of freedom, namely a translatory movement in the direction of the longitudinal axis 353 the wave guide 35 , of course, parallel to the longitudinal axis 343 of the linear actuator (bellows cylinder 34 ) lies.

Ein Kompressor 60 erzeugt den notwendigen Überdruck im Pneumatiksystem, um den pneumatischen Linearaktor 34 anzutreiben. Dabei kann der in 2 dargestellte Balgzylinder 34 nur eine Druckkraft bei Ausdehnung erzeugen. Der oben erwähnte Luftmuskel hingegen erzeugt nur eine Zugkraft bei Kontraktion. Aus diesem Grund muss auf den Linearaktor eine Rückstellkraft wirken, die z. B. von einer (Zug- oder Druck-)Feder bereitgestellt wird. In dem Beispiel aus 2 wird die Welle 352 der Wellenführung durch die Druckfeder 36 zurückgehalten, sodass auf den oberen Flanschteil (Halterung 32) eine Vorspannkraft in Richtung des unteren Flanschteils (Schnittstelle 31 zum Manipulator) wirkt. Der Linearaktor 34 bewegt sich aktiv gegen diese Vorspannkraft. Der Überdruck im Linearaktor 34 wird mit Hilfe des Kompressors 60 erzeugt, ist mit Hilfe eines elektronisch angesteuerten Regelventils 61 nach Maßgabe eines Sollwertes (Soll-Druck) einstellbar. Der tatsächliche Druck im Linearaktor 34 (Ist-Druck) wird mit einem Drucksensor 62 gemessen. Des Weiteren ist ein Linearpotentiometer als Wegsensor 63 vorgesehen, welches einen Messwert für die aktuelle Auslenkung des Linearaktors 34 und damit die Relativposition der Halterung 32 liefert (relativ zur Schnittstelle 31 zum Manipulator bzw. relativ zum Endeffektorflansch des Manipulators).A compressor 60 generates the necessary overpressure in the pneumatic system, around the pneumatic linear actuator 34 drive. Here, the in 2 illustrated bellows cylinder 34 only generate a compressive force during expansion. The above-mentioned air muscle, on the other hand, only generates a tensile force on contraction. For this reason, must act on the linear actuator a restoring force, the z. B. is provided by a (tensile or compressive) spring. In the example off 2 becomes the wave 352 the wave guide by the compression spring 36 retained so that on the upper flange (bracket 32 ) a biasing force in the direction of the lower flange (interface 31 to the manipulator) acts. The linear actuator 34 actively moves against this preload force. The overpressure in the linear actuator 34 is with the help of the compressor 60 is generated by means of an electronically controlled control valve 61 adjustable according to a setpoint (setpoint pressure). The actual pressure in the linear actuator 34 (Actual pressure) comes with a pressure sensor 62 measured. Furthermore, a linear potentiometer is a displacement sensor 63 provided, which is a measured value for the current displacement of the linear actuator 34 and thus the relative position of the holder 32 provides (relative to the interface 31 to the manipulator or relative to the end effector flange of the manipulator).

Die druckabhängige Kraft-Weg-Kennlinie des pneumatischen Linearaktors ist üblicherweise bekannt, sodass die vom Linearaktor 34 auf die Flanschteile 31 und 32 zur Verfügung gestellte Aktorkraft einer indirekten Messung zugänglich ist. D. h. aus dem gemessenen Druck im Aktor und der gemessenen Auslenkung (Hub) des Aktors kann ohne weiteres die Aktorkraft berechnet werden. Dabei ist die Kraft-Weg-Kennlinie von pneumatischen Linearaktoren üblicherweise mit einer Hysterese behaftet, sodass in die Kraftberechnung auch die Richtung der Bewegung einfließt. Bei einem elektrischen Direktantrieb könnte die Aktorkraft z. B. mit Hilfe der Stromaufnahme in ähnlicher Weise mit Hilfe einer Kennlinie ermittelt werden.The pressure-dependent force-displacement curve of the pneumatic linear actuator is usually known, so that of the linear actuator 34 on the flange parts 31 and 32 provided Aktorkraft an indirect measurement is accessible. Ie. From the measured pressure in the actuator and the measured deflection (stroke) of the actuator can be calculated easily the actuator force. In this case, the force-displacement characteristic of pneumatic linear actuators usually has a hysteresis, so that the force calculation also includes the direction of the movement. In an electric direct drive, the actuator force z. B. be determined using the power consumption in a similar manner using a characteristic.

Die rückstellende Federkraft kann ebenfalls aus der Kraft-Weg-Kennlinie der Feder und der gemessenen Auslenkung berechnet werden. Kontaktiert ein an der Halterung 32 der Handhabungsvorrichtung befestigtes Werkzeug ein Werkstück, dann ist die Differenz aus Aktorkraft und Rückstellkraft, die auf auf das Werkzeug ausgeübte Nettokraft, welche auf herkömmliche Weise geregelt werden kann. Um daraus die Kraft, die tatsächlich auf die Oberfläche wirkt, zu ermitteln, muss zusätzlich das Gewicht des Werkzeugs 40 (vgl. 1) und dessen räumliche Lage relativ zur Oberfläche des Werkstücks berücksichtigt werden.The restoring spring force can also be calculated from the force-displacement characteristic of the spring and the measured deflection. Contact one on the holder 32 the tool attached to the handling device is a workpiece, then the difference in actuator force and restoring force is the net force exerted on the tool, which can be controlled in a conventional manner. In order to determine the force that actually acts on the surface, the weight of the tool must also be determined 40 (see. 1 ) and its spatial position relative to the surface of the workpiece are taken into account.

Ohne Kontakt ist allein mit dem Messwert für die Auslenkung des Aktors 34 eine Positionsregelung möglich. Des Weiteren kann die Nachgiebigkeit (bzw. Steifigkeit) der Handhabungsvorrichtung 30 geregelt werden (Impedanzregelung), d. h. es wird die Steifigkeit der Anordnung aus Linearaktor und Rückstellfeder nach Maßgabe eines Sollwertes geregelt.Without contact is alone with the measured value for the deflection of the actuator 34 a position control possible. Furthermore, the compliance (or rigidity) of the handling device 30 controlled (impedance control), ie it is the stiffness of the arrangement of linear actuator and return spring regulated according to a setpoint.

Aufgrund der einem pneumatischen Aktor inhärenten Elastizität und der Haftreibungsfreiheit der Anordnung wird das eingangs erwähnte Überschwingen der Kontaktkraft auf ein Minimum reduziert. Durch dieses elastische Verhalten wird die Masse und Trägheit der bewegten Elemente des Manipulators (Roboterarme und -antriebe) in Wirkrichtung der Elastitizität von dem Werkzeug und folglich vom Werkstück entkoppelt. Damit ist nur die viel kleinere Masse des Werkzeugs für die kinetische Energie maßgeblich. Das verringert die weiter oben bereits erwähnte Aufprallenergie beim Konzakt zwischen Werkstück und Werkzeug.Due to the inherent elasticity of a pneumatic actuator and the static friction of the arrangement, the above-mentioned overshoot of the contact force is reduced to a minimum. This elastic behavior decouples the mass and inertia of the moving elements of the manipulator (robot arms and drives) in the effective direction of the elasticity from the tool and consequently from the workpiece. Thus, only the much smaller mass of the kinetic energy tool is relevant. This reduces the impact energy already mentioned above when working between the workpiece and the tool.

Des Weiteren wird durch die Haftreibungsfreiheit und durch den getriebelosen Antrieb im Betrieb bei aktiver Kraftregelung ein Überschwingen der Kontaktkraft praktisch vollständig eliminiert. Es wird also eine ruckfreie Kraftregelung ermöglicht wohingegen bei herkömmlichen Handhabungsvorrichtungen aufgrund von Haftreibungseffekten immer unerwünschte Variationen in der Kontaktkraft auftreten, die durch eine Regelung nicht ohne Weiteres kompensiert werden können.Furthermore, by the static friction and the gearless drive in operation with active force control overshoot of the contact force is virtually completely eliminated. Thus, a jerk-free force control is possible whereas in conventional handling devices due to static friction effects always undesirable variations in the contact force occur, which can not be easily compensated by a scheme.

Die 3 zeigt eine detailliere Schnittdarstellung durch die Handhabungsvorrichtung, die gemäß dem in 2 dargestellten Prinzip aufgebaut ist. Der dargestellte aktive Flansch umfasst einen ersten Flanschteil 31 als Schnittstelle zum Manipulator, dessen Endeffektorflansch 21 z. B. in 1 dargestellt ist, sowie einen zweiten Flanschteil 32 als Halterung bzw. Aufnahme für ein Werkzeug. Die Geometrie beider Flanschteile ist in der Robotik genormt. Mit dem ersten Flanschteil 31 ist ein Gehäuseteil 37 starr verbunden, in dem sowohl das Regelventil 61 als auch die haftreibungsfreie Wellenführung mit Rückstellfeder nach demselben Prinzip angeordnet sind, wie in 2 gezeigt. Zum Schutz gegen Staub und sonstigen Verunreinigungen ist ein Faltenbalg als Abdeckung 39 zwischen den Flanschteilen 31 und 32 vorgesehen. Diese Abdeckung kann auch für den Einsatz unter Wasser, in rauer Umgebung oder in Reinräumen flüssigkeits- und/oder staubdicht ausgebildet sein. Als haftreibungsfreier, getriebeloser Linearaktor dient der Balgzylinder 34. Der Linearaktor ist zwischen dem ersten Gehäuseteil 37 und einem zweiten, mit der Halterung 32 starr verbundenen Gehäuseteil 38 angeordnet.The 3 shows a detailed sectional view through the handling device, which according to the in 2 illustrated principle is constructed. The illustrated active flange includes a first flange portion 31 as an interface to the manipulator, the end effector flange 21 z. In 1 is shown, and a second flange 32 as a holder or receptacle for a tool. The geometry of both flange parts is standardized in robotics. With the first flange part 31 is a housing part 37 rigidly connected, in which both the control valve 61 as well as the friction-free shaft guide with return spring are arranged according to the same principle, as in 2 shown. To protect against dust and other contaminants is a bellows as a cover 39 between the flange parts 31 and 32 intended. This cover can also be designed for use under water, in harsh environment or in cleanrooms liquid and / or dustproof. As a friction-free, gearless linear actuator is the bellows cylinder 34 , The linear actuator is between the first housing part 37 and a second, with the bracket 32 rigidly connected housing part 38 arranged.

Der in 2 dargestellte Wegsensor 63 ist in dem vorliegenden Beispiel durch die Führungseinrichtung 35 verdeckt und nicht zu sehen. Der Drucksensor und der Kompressor sind in der Darstellung aus 3 der Übersichtlichkeit halber nicht enthalten. Anschlüsse für den Zu- und Abluftkanal 38 können z. B. im ersten Gehäuseteil 37 angeordnet sein. Der Anschluss zum Zuluftkanal ist z. B. über einen Schlauch mit dem Kompressor 60 verbunden. Der Anschluss für den Abluftkanal ist z. B. mit einem Schalldämpfer abgedeckt. Für Unterwasseranwendungen kann gemäß einem Beispiel der Erfindung auch der Abluftkanal mit einem Schlauch verbunden sein, der die Abluft bis über die Wasseroberfläche leitet, um ein Eindringen von Wasser in das Pneumatiksystem zu verhindern. Durch den als Schlauch ausgebildeten Abluftkanal wird bei sensiblen Prozessen auch ein Ausströmen von Abluft verhindert.The in 2 illustrated displacement sensor 63 is in the present example by the guide device 35 hidden and not visible. The pressure sensor and the compressor are off in the illustration 3 for the sake of clarity not included. Connections for the supply and exhaust air duct 38 can z. B. in the first housing part 37 be arranged. The connection to the supply air duct is z. B. via a hose to the compressor 60 connected. The connection for the exhaust duct is z. B. covered with a silencer. For underwater applications, according to an example of the invention, the exhaust duct may also be connected to a hose which directs the exhaust air over the water surface to prevent ingress of water into the pneumatic system. The exhaust duct designed as a hose prevents leakage of exhaust air in sensitive processes.

4 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung, bei der statt einem Balgzylinder ein Luftmuskel 34' zum Einsatz kommt. Die Feder 36 ist bei diesem Beispiel so angeordnet, dass die beiden Flanschteile 31, 32 (Halterung und Schnittstelle zum Manipulator) auseinandergedrückt werden, während der Luftmuskel 34' eine der Federkraft entgegengerichtete Zugkraft ausübt. Im übrigen ist die Anordnung aus 4 baugleich wie das in 2 gezeigte Beispiel. Im druckfreien Zustand fährt die Vorrichtung aus 4 jedoch in eine Endposition mit maximaler Auslenkung, wohingegen die Vorrichtung aus 2 in eine Endposition mit minimaler Auslenkung (d. h. Abstand der Flanschteile 31 und 32) fährt, was aus Sicherheitsgründen vorteilhaft sein kann. 4 shows a further example of a handling device according to the invention, in which instead of a bellows cylinder, an air muscle 34 ' is used. The feather 36 is arranged in this example so that the two flange parts 31 . 32 (Bracket and interface to the manipulator) are pressed apart during the air muscle 34 ' exerts a spring force opposing tensile force. Otherwise, the arrangement is off 4 identical to the one in 2 example shown. In the pressure-free state, the device extends 4 However, in a final position with maximum deflection, whereas the device 2 in a final position with minimal deflection (ie distance of the flange parts 31 and 32 ), which may be advantageous for safety reasons.

Ganz allgemein weist die erfindungsgemäße Vorrichtung unter anderem den Vorteil auf, dass bei Energieverlust das System in eine Ausgangsstellung zurückgezogen wird und dennoch passiv bewegbar bleibt. Auch nach einer Notabschaltung (z. b. wegen einer Überschreitung einer zulässigen Maximalkraft) bleibt die Vorrichtung passiv weich und eventuell eingeklemmte Teile können gelöst werden.Quite generally, the device according to the invention has, inter alia, the advantage that in case of energy loss, the system is retracted to a starting position and still remains passively movable. Even after an emergency shutdown (eg due to a permissible maximum force being exceeded), the device remains passively soft and possibly jammed parts can be released.

5 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. Die in 5 dargestellte Handhabungsvorrichtung (aktiver Flansch) hat im Gegensatz zu den in den 2 bis 4 gezeigten Beispielen drei Freiheitsgrade, nämlich einen translatorischen Freiheitsgrad (Verschiebung in Richtung der Längsachsen der Balgzylinder 34a, 34, 34c), und zwei rotatorische Freiheitsgrade (Verkippen um zwei normal zu den Längsachsen der Balgzylinder 34a, 34, 34c liegende Drehachsen). Bei drei Freiheitsgraden sind auch drei haftreibungsfreie pneumatische Linearaktoren 34a, 34, 34c notwendig, die im vorliegenden Fall gleichmäßig um eine Mittelachse der Handhabungsvorrichtung angeordnet sind. Der übrige Aufbau der Handhabungsvorrichtung wie z. B. die Ansteuerung der haftreibungsfreien pneumatischen Linearaktoren ist im Prinzip gleich wie bei den Beispielen aus den 2 bis 4. Die haftreibungsfreie Führungseinrichtung 35 ist im Wesentlichen auch gleich aufgebaut wie bei dem Beispiel aus 4 (wobei im vorliegenden Fall eine Zugfeder 36' zur Erzeugung einer Rückstellkraft für die Balgzylinder verwendet wird), jedoch ist die Führungswelle 352 nicht starr mit dem oberen Flanschteil (der die Halterung 32 bildet) verbunden, sondern beispielsweise über ein Kugel- oder Kardangelenk (nicht dargestellt), um die oben erwähnte Kippbewegung zu ermöglichen. Je nach Anwendung kann das Gelenk verdrehgesichert sein, sodass (wie im vorliegenden Beispiel) nur Kippbewegungen des oberen Flanschteils, jedoch keine Verdrehung möglich ist. 5 shows a simplified illustration of another example according to the present invention. In the 5 illustrated handling device (active flange) has in contrast to those in the 2 to 4 shown examples, three degrees of freedom, namely a translational degree of freedom (displacement in the direction of the longitudinal axes of the bellows cylinder 34a . 34 . 34c ), and two rotational degrees of freedom (tilting by two normal to the longitudinal axes of the bellows cylinder 34a . 34 . 34c lying rotary axes). With three degrees of freedom, there are also three friction-free pneumatic linear actuators 34a . 34 . 34c necessary, which are arranged uniformly around a central axis of the handling device in the present case. The rest of the structure of the handling device such. B. the control of friction-free pneumatic linear actuators is in principle the same as in the examples of the 2 to 4 , The friction-free guide device 35 is essentially the same structure as in the example 4 ( in the present case a tension spring 36 ' is used to generate a restoring force for the bellows cylinder), but the guide shaft 352 not rigid with the upper flange part (the holder 32 forms), but for example via a ball or universal joint (not shown) to allow the above-mentioned tilting movement. Depending on the application, the joint can be secured against rotation, so that (as in the present example) only tilting movements of the upper flange, but no rotation is possible.

Die Rückstellkraft muss nicht grundsätzlich durch eine Feder erzeugt werden, sondern könnte auch durch einen zweiten haftreibungsfreien pneumatischen Linearaktor bereitgestellt werden. So könnte in dem Beispiel aus 2 auch ein parallel zu dem Balgzylinder angeordneter Luftmuskel (PAM, vgl. 4) statt der Feder 36 verwendet werden.The restoring force does not have to be generated in principle by a spring, but could also be provided by a second friction-free pneumatic linear actuator. So could in the example 2 also an air muscle arranged parallel to the bellows cylinder (PAM, cf. 4 ) instead of the spring 36 be used.

Ein in manchen praktischen Anwendungen auftretendes Problem resultiert aus den ungleichen Kraft-Weg-Kennlinien von Balgzylinder bzw. Luftmuskel und Feder (vgl. Kennliniendiagram in 6). Während Federn im allgemeinen eine mit zunehmender Auslenkung (aus dem entspannten Zustand) linear ansteigende Rückstellkraft aufweisen, haben Balgzylinder (sowie Luftmuskeln) bei gegebenem Innendruck eine fallende Kennlinie mit signifikanter Nichtlinearität. Im Folgenden wird das Beispiel aus 2 bzw. 3 betrachtet. Die auf eine zu kontaktierende Oberfläche wirkende Kontaktkraft ist im eingeschwungenen Zustand gleich der Differenz aus der Kraft FB des Balgzylinders 34 und der Rückstellkraft FK der Feder 36. Bei einer externen Kontaktkraft von Null ist der Stellweg (die Auslenkung) der Handhabungsvorrichtung jedoch auf den Bereich der Kraft-Weg-Kennlinien beschränkt, der links vom Schnittpunkt zwischen Federkennlinie und Aktorkraft-Kennlinie liegt. Bei einer Kontaktkraft größer Null ist der maximale Stellweg entsprechend kleiner. Um den theoretisch möglichen maximalen Hub des Linearaktors tatsächlich ausnutzen zu können, wäre es wünschenswert, dass die Federkennlinie ebenfalls eine fallende Kennlinie ausweist (siehe angepasste Kennlinie FK'). Im Idealfall hätte die Federkennlinie die gleiche Form wie die Aktorkraft-Kennline. Der – in diesem Fall über Druckänderungen einstellbare – Offset zwischen den Kennlinien entspricht dann der Kontaktkraft, die bei derart angepassten Kennlinien unabhängig von der Auslenkung des Aktors erzeugbar wäre.A problem occurring in some practical applications results from the unequal force-displacement characteristics of the bellows cylinder or air muscle and spring (see characteristic diagram in FIG 6 ). While springs generally have a linearly increasing restoring force with increasing deflection (from the relaxed state), bellows cylinders (as well as pneumatic muscles) have a falling characteristic curve with significant nonlinearity given a given internal pressure. The following is the example 2 respectively. 3 considered. The contact force acting on a surface to be contacted in the steady state is equal to the difference between the force F B of the bellows cylinder 34 and the restoring force F K of the spring 36 , In the case of an external contact force of zero, however, the travel (deflection) of the handling device is restricted to the region of the force-displacement characteristic curves which lies to the left of the intersection between the spring characteristic and the actuator force characteristic. At a contact force greater than zero, the maximum travel is correspondingly smaller. In order to be able to actually exploit the theoretically possible maximum stroke of the linear actuator, it would be desirable for the spring characteristic also to have a falling characteristic curve (see adapted characteristic curve F K '). Ideally, the spring characteristic would have the same shape as the actuator force characteristic. The - adjustable in this case via pressure changes - offset between the curves then corresponds to the contact force, which would be generated independently of the deflection of the actuator with such adapted characteristics.

7 zeigt eine Möglichkeit wie mit Hilfe einer einfachen kinematischen Anordnung die Federkraft-Kennlinie an den Kennlinie des Aktors – zumindest näherungsweise – angepasst werden kann. Bei dem in 7 dargestellten Mechanismus sind die Lager 361 und 362 mit einem Flanschteil (z. B. der Schnittstelle 31 zum Manipulator) starr verbunden und das obere Ende des Pleuels 363 mit dem anderen Flanschteil (z. B. der Halterung 32 für das Werkzeug). An dem Lager 362 ist ein beispielsweise L-förmiger Umlenkhebel 364 schwenkbar gelagert. Zwischen dem Ende eines Schenkels des Umlenkhebels 364 und dem Lager 361 ist die Feder 36 (mit annähernd linearer Kennlinie) gespannt. Zwischen dem Ende des anderen Schenkels des Umlenkhebels 364 und dem zweiten Flanschteil ist der Pleuel 363 angeordnet. Der Abstand zwischen den beiden Flanschteilen 31 und 32 ist in 7 mit hP bezeichnet. Die Kraft-Weg-Kennlinie der zwischen den Platten wirkenden Rückstellkraft in Abhängigkeit des Abstandes hP ist in 8b dargestellt. 8a zeigt den Zusammenhang zwischen der Länge der Feder und dem Abstand h. Wie in 8b zu sehen ist, gleicht die Kraft-Weg-Kennlinie des in 7 gezeigten Systems aus Feder und Umlenkmechanismus der Kraft-Weg-Kennlinie eines Balgzylinders bzw. eines Luftmuskels, wodurch der mögliche Hub eines haftreibungsfreien pneumatischen Linearaktors wesentlich besser ausgenutzt werden kann. 7 shows a way as with the help of a simple kinematic arrangement, the spring force characteristic of the characteristic of the actuator - at least approximately - can be adjusted. At the in 7 The mechanism shown are the bearings 361 and 362 with a flange part (eg the interface 31 to the manipulator) rigidly connected and the upper end of the connecting rod 363 with the other flange part (eg the holder 32 for the tool). At the camp 362 is an example L-shaped lever 364 pivoted. Between the end of a leg of the bell crank 364 and the camp 361 is the spring 36 (with almost linear characteristic) stretched. Between the end of the other leg of the bell crank 364 and the second flange part is the connecting rod 363 arranged. The distance between the two flange parts 31 and 32 is in 7 denoted by h P. The force-displacement characteristic of the restoring force acting between the plates as a function of the distance h P is in 8b shown. 8a shows the relationship between the length of the spring and the distance h. As in 8b can be seen, the force-displacement characteristic of the in 7 shown system of spring and deflection mechanism of the force-displacement curve of a bellows cylinder or an air muscle, whereby the possible stroke of a friction-free pneumatic linear actuator can be much better utilized.

Aufgrund der haftreibungsfreien Ausführung kann eine erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung auch nur als ”weiche” (d. h. nachgiebige) Sensoreinheit für die Kontaktkraft betrieben werden. In diesem Fall erfolgt die Positionierung des Werkzeugs teilweise oder ausschließlich über den Manipulator (vgl. Manipulator 20 in 1). Dabei ist sowohl ein ”gemischter Betrieb”, als auch ein ”sensorgeführter Betrieb” denkbar. Im ”gemischten Betrieb” werden kleine und hochfrequente Positionsanpassungen sowie die Kraftregelung von der Handhabungsvorrichtung übernommen, wohingegen die großräumige, übergeordnete Bewegung (grobe Positionierung) vom Manipulator gewährleistet wird. Im „sensorgeführten Betrieb” wirkt die Handhabungsvorrichtung als passive Sensoreinheit und die Regelungsarbeit wird vom Manipulator übernommen. Die Nachgiebigkeit einer solchen Sensoreinheit erlaubt dennoch eine im Wesentlichen stoßfreie Kraftregelung. Auch im reinen Sensorbetrieb ist die Nachgiebigkeit der Vorrichtung, also das Kraft-Weg-Verhalten (auch Impedanz genannt) aktiv einstellbar und an die jeweilige Anwendung anpassbar.Due to the friction-free design, a handling device according to the invention can also be operated only as a "soft" (ie compliant) sensor unit for the contact force. In this case, the positioning of the tool takes place partially or exclusively via the manipulator (see Manipulator 20 in 1 ). Both a "mixed operation" and a "sensor-controlled operation" are conceivable. In "mixed mode" small and high-frequency position adjustments and the force control are taken over by the handling device, whereas the large-scale, superordinate movement (rough positioning) is ensured by the manipulator. In "sensor-guided operation" the handling device acts as a passive sensor unit and the control work is taken over by the manipulator. The compliance of such a sensor unit still allows a substantially shock-free force control. Even in pure sensor operation, the compliance of the device, so the force-displacement behavior (also called impedance) is actively adjustable and adaptable to the particular application.

In beiden Fällen (beim ”gemischten Betrieb” sowie im ”sensorgeführten Betrieb”) erfolgt eine Rückkopplung der mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung ermittelten Informationen (Messdaten) über die Kontaktkraft und/oder die Lage des Werkzeugs relativ zum Endeffektorflansch des Manipulators an den Antrieb (oder die Antriebseinheiten) des Manipulators. Im Gegensatz dazu arbeitet im ”stand alone Betrieb” die Handhabungsvorrichtung unabhängig vom Manipulator und es erfolgt keine Rückkopplung von mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung ermittelten Messdaten an die Antriebssteuerung bzw. -regelung des Manipulators. Der Manipulator führt eine vorgegebene Bewegung (z. B. zur Positionierung des Werkzeugs am Werkstück) aus. Die Feinsteuerung und Kraftregelung übernimmt die Handhabungsvorrichtung, wie oben beschrieben, unabhängig vom Manipulator.In both cases (in "mixed operation" and in "sensor-controlled operation"), the information (measured data) determined by the handling device is fed back via the contact force and / or the position of the tool relative to the end effector flange of the manipulator to the drive (or the Drive units) of the manipulator. In contrast, in the stand-alone mode, the handling device operates independently of the manipulator and there is no feedback from measured data determined by means of the handling device to the drive control or regulation of the manipulator. The manipulator leads a predetermined movement (eg for positioning the tool on the workpiece). The fine control and force control takes over the handling device, as described above, regardless of the manipulator.

Aufgrund der inhärenten Elastizität von haftreibungsfreiem Linearaktor und Rückstellfeder schützt die Handhabungsvorrichtung (sowohl im Betrieb als aktiver Flansch als auch im reinen Messbetrieb) den Manipulator vor Stößen, Schlägen und ähnlichen kurzfristigen Ereignissen, die ein plötzliches Ansteigen der Kontaktkraft zur Folge haben und die eine gewöhnliche Roboterregelung nicht kompensieren kann.Due to the inherent elasticity of the frictionless linear actuator and return spring, the handling device (in both active flange and pure measurement operation) protects the manipulator from shocks, blows and similar short term events that result in a sudden increase in contact force and ordinary robot control can not compensate.

Um die Genauigkeit der Kraftmessung zu erhöhen kann zwischen einem Linearaktor und einem Flanschteil 31 bzw. 32 eine Kraftmessdose angeordnet sein, sodass die Kraft nicht nur rechnerisch (z. B. aus Bewegungsrichtung, Druck und Auslenkung) ermittelt, sondern auch direkt gemessen werden kann.To increase the accuracy of the force measurement can be between a linear actuator and a flange 31 respectively. 32 a load cell may be arranged so that the force is not only computationally determined (eg, from the direction of movement, pressure and deflection), but also can be measured directly.

Ein Beispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Handhaben von Gegenständen oder zum Bearbeiten von Oberflächen mit einem Manipulator, einer an diesem angeordneten Handhabungsvorrichtung wie beispielsweise in den 2 bis 5 gezeigt, sowie einem Werkzeug, welches mit dem Gegenstand bzw. der Oberfläche in Berührung kommt. Das Verfahren umfasst das Positionieren des Werkzeuges durch entsprechendes Auslenken der Handhabungsvorrichtung, so dass die Kontaktkraft einem vorgegebenen Sollwert entspricht, wobei der Sollwert abhängig von der Position des Manipulators sein kann. Das Verfahren umfasst weiter das Handhaben des Gegenstandes (z. B. Positionieren, Stapeln, etc.) bzw. Bearbeiten der Oberfläche (z. B. Schleifen, Polieren, etc.). Während des Vorgangs des Handhabens bzw. des Bearbeitens wird dabei kontinuierlich die Position des Werkzeugs und die mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung ermittelte Kontaktkraft überwacht und bei Bedarf auch protokolliert. Damit kann zu jedem Werkstück automatisch ein Bearbeitungsprotokoll angefertigt und das Werkstück entsprechend klassifiziert werden (z. B. als B-Ware, wenn beim Bearbeiten oder Handhaben gewisse Kraft-Toleranzen nicht eingehalten wurden).An example of the invention relates to a method for handling objects or for working surfaces with a manipulator, a handling device arranged thereon, such as in the US Pat 2 to 5 shown, as well as a tool, which comes into contact with the object or the surface. The method comprises positioning the tool by appropriately deflecting the handling device, so that the contact force corresponds to a predetermined desired value, wherein the desired value can be dependent on the position of the manipulator. The method further includes manipulating the article (eg, positioning, stacking, etc.) or machining the surface (eg, grinding, polishing, etc.). During the process of handling or processing, the position of the tool and the contact force determined with the aid of the handling device are continuously monitored and, if necessary, also logged. In this way, a machining protocol can be automatically made for each workpiece and the workpiece can be classified accordingly (eg as a B-product if certain force tolerances were not adhered to during machining or handling).

Im Folgenden werden exemplarisch einige wichtige Aspekte einer erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung zusammengefasst:
Ein für automatisierte Kontaktaufgaben geeignete Handhabungsvorrichtung (aktiver Flansch) umfasst als mechanische Schnittstelle einen ersten Flanschteil zur lösbaren oder festen Verbindung der Handhabungsvorrichtung mit einem Manipulator sowie einen relativ zu dem ersten Flanschteil bewegbaren, als Halterung zur Aufnahme eines Werkzeuges ausgebildeten zweiten Flanschteil. Mindestens ein getriebeloses, haftreibungsfreies Stellelement dient zur Positionierung der Halterung relativ zu dem ersten Flanschteil. Des Weiteren ist eine Sensoreinrichtung zur direkten oder indirekten Bestimmung der auf das mindestens eine Stellelement wirkenden Kraft vorgesehen. Schließlich sorgt eine Regeleinrichtung – bei Kontakt zwischen einem an der Halterung gelagerten Werkzeug und einer Oberfläche – für die Regelung der Kontaktkraft nach Maßgabe eines vorgebbaren Kraftverlaufs.In the following, some important aspects of a handling device according to the invention are summarized by way of example:
A suitable for automated contact tasks handling device (active flange) comprises as a mechanical interface a first flange for releasably or firmly connecting the handling device with a manipulator and a relative to the first flange movable part, designed as a holder for receiving a tool second flange. At least one gearless, static-free adjusting element is used for positioning of the holder relative to the first flange. Furthermore, a sensor device is provided for the direct or indirect determination of the force acting on the at least one actuating element. Finally, a control device - in contact between a tool mounted on the holder and a surface - provides for the regulation of the contact force in accordance with a predefinable force curve.

Des Weiteren kann eine haftreibungsfrei gelagerte (z. B. mit Hilfe eines Wälzlagers oder eines Luftlagers) mechanische Führungseinrichtung zwischen den beiden Flanschteilen angeordnet sein, die sämtliche mechanischen Freiheitsgrade sperrt mit Ausnahme jener, die von dem mindestens einen Stellelement einstellbar sind. Im Falle eines einzigen Freiheitsgrades kann z. B. eine verdrehsichere Wellenführung alle freiheitsgrade bis auf den einen translatorischen Freiheitsgrad sperren, der mit der Bewegung des Stellelementes korrespondiert.Furthermore, a mechanical guide device (eg with the aid of a roller bearing or an air bearing) mounted without friction can be arranged between the two flange parts, which blocks all mechanical degrees of freedom with the exception of those which are adjustable by the at least one adjusting element. In the case of a single degree of freedom z. B. a torsion-proof shaft guide lock all degrees of freedom to the one translational degree of freedom, which corresponds to the movement of the actuating element.

Die Handhabungsvorrichtung kann weiter ein Federelement aufweisen, das eine Rückstellkraft zwischen den beiden Flanschteilen erzeugt, die gegen die Kraftwirkung des haftreibungsfreien Stellelementes gerichtete ist. Die von dem Handhabungsvorrichtung auf einen externen Körper (z. B. Werkstück) ausgeübte Nettokraft entspricht demnach der Differenz aus Aktorkraft und Rückstellkraft der Feder.The handling device may further comprise a spring element which generates a restoring force between the two flange parts, which is directed against the force of the static-free actuating element. The net force exerted by the handling device on an external body (eg workpiece) accordingly corresponds to the difference between the actuator force and the restoring force of the spring.

Jedes getriebelose haftreibungsfreie Stellelement sowie das oben erwähnte Federelement weist eine charakteristische Kraft-Weg-Kennlinie auf. Im Falle einer einfachen Feder ist diese Kennlinie linear ansteigend, im Falle eines pneumatischen Aktors ist diese fallend und druckabhängig. Zusammen bestimmen diese Kennlinien das elastisches Verhalten der Handhabungsvorrichtung (d. h. Nettokraft versus Position der Halterung relativ zum Manipulator). Die Regeleinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Kraft-Weg-Kennlinie des Stellelementes (bzw. der Stellelemente) so einzustellen, dass die Handhabungsvorrichtung ein vorgegebenes elastisches Verhalten aufweist.Each gearless non-friction actuator and the above-mentioned spring element has a characteristic force-displacement characteristic. In the case of a simple spring this characteristic is linearly increasing, in the case of a pneumatic actuator, this is falling and pressure-dependent. Together, these characteristics determine the elastic behavior of the handling device (i.e., net force versus position of the support relative to the manipulator). The control device may be designed to adjust the force-displacement characteristic of the actuating element (or the adjusting elements) so that the handling device has a predetermined elastic behavior.

Wie bereits erwähnt kann das Stellelement ein kolbenloser pneumatischer Aktor, ein haftreibungsfreier Pneumatikzylinder oder ein elektrischer, getriebeloser Direktantrieb sein. Im Falle des elektrischen Direktantriebs tritt anstelle einer druckabhängigen Kraft-Weg-Kennlinie eine stromabhängige Kraft-Weg-Kennlinie.As already mentioned, the control element can be a piston-free pneumatic actuator, a friction-free pneumatic cylinder or an electric, gearless direct drive. In the case of direct electrical drive occurs instead of a pressure-dependent force-displacement curve, a current-dependent force-displacement curve.

Um die Kraft-Weg-Kennlinie des Federelementes an die Kennlinie des Aktors zumindest näherungsweise anzupasen kann die nach außen wirksame Kraft-Weg-Kennlinie der Feder durch eine kinematische Anordnung (d. h. einen Hebelmechanismus) an die Kraft-Weg-Kennlinie des haftreibungsfreien pneumatischen Stellelements verändert werden.In order to at least approximate the force-displacement characteristic of the spring element to the characteristic of the actuator, the outwardly effective force-displacement characteristic of the spring by a kinematic arrangement (ie a Lever mechanism) are changed to the force-displacement characteristic of the friction-free pneumatic actuator.

Die Sensoreinrichtung kann für jedes Stellelement einen Positionssensor zur Messung der Länge des jeweiligen Stellelementes aufweisen. Alternativ kann ein Sensor vorgesehen sein, der dazu ausgebildet ist, die Lage der Halterung relativ zu dem ersten Flanschteil (d. h. zum Manipulator) zu bestimmen.The sensor device can have a position sensor for measuring the length of the respective control element for each control element. Alternatively, a sensor may be provided which is adapted to determine the position of the holder relative to the first flange part (i.e., to the manipulator).

Im Falle pneumatischer Aktoren kann die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet sein, aus der gemessenen Länge des mindestens einen Stellelementes und aus dem im Stellelement herrschenden Druck die auf das Stellelement wirkende Kraft sowie die Position der Halterung relativ zu dem ersten Flanschteil zu berechnen.In the case of pneumatic actuators, the sensor device may be designed to calculate from the measured length of the at least one adjusting element and from the pressure prevailing in the adjusting element, the force acting on the adjusting element and the position of the holder relative to the first flange.

Für Anwendungen unter Wasser, oder für Anwendungen bei denen Luftströmungen störend sind, kann ein Abluftkanal des pneumatischen Stellelements mit einem Schlauch verbunden sein, der die Abluft von der Handhabungsvorrichtung weg leitet, sodass in der Nähe der Vorrichtung keine Luftströmungen auftreten. Des Weiteren kann die Handhabungsvorrichtung gegen das eindringen von Wasser und/oder Staub abgedichtet sein.For applications under water, or for applications in which air currents are disturbing, an exhaust duct of the pneumatic actuator may be connected to a hose which directs the exhaust air away from the handling device so that no air flows occur in the vicinity of the device. Furthermore, the handling device may be sealed against the ingress of water and / or dust.

Ein weiteres Beispiel der Erfindung betrifft ein System umfassend einen Manipulator mit zumindest einem Freiheitsgrad, eine an dem Manipulator befestigte Handhabungsvorrichtung wie oben beschrieben, ein an der Handhabungsvorrichtung angeordnetes Werkzeug für Kontaktaufgaben. Des Weiteren ist eine Regeleinheit zur Regelung der von dem Werkzeug auf ein Werkstück ausgeübten Kraft vorgesehen, wobei die Regeleinheit dazu ausgebildet ist, mit Hilfe des Manipulators eine grobe Positionierung des Werkstücks vorzunehmen und mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung die Feinpositionierung und die Kraftregelung durchzuführen.Another example of the invention relates to a system comprising a manipulator with at least one degree of freedom, a handling device attached to the manipulator as described above, a tool for contact tasks arranged on the handling device. Furthermore, a control unit for controlling the force exerted by the tool on a workpiece force is provided, wherein the control unit is adapted to make a rough positioning of the workpiece by means of the manipulator and perform with the aid of the handling device, the fine positioning and force control.

Alternativ wird die Handhabungsvorrichtung rein passiv als Sensoreinheit betrieben und die Kraftregelung erfolgt allein über den Antrieb des Manipulators. In beiden Fällen erfolgt über die einstellbare Elastizität der Handhabungsvorrichtung eine mechanische Entkopplung zwischen dem Werkstück und der trägen Masse des Manipulators.Alternatively, the handling device is purely passive operated as a sensor unit and the force is controlled solely by the drive of the manipulator. In both cases, via the adjustable elasticity of the handling device, a mechanical decoupling takes place between the workpiece and the inert mass of the manipulator.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (14)

Handhabungsvorrichtung für automatisierte Kontaktaufgaben, die folgende Komponenten aufweist: eine mechanische Schnittstelle zur lösbaren oder festen Verbindung der Handhabungsvorrichtung mit einem Manipulator; eine relativ zu der Schnittstelle bewegbare Halterung zur Aufnahme eines Werkzeuges; mindestens ein getriebeloses, haftreibungsfreies Stellelement zur Positionierung der Halterung relativ zur Schnittstelle zum Manipulator; eine Sensoreinrichtung zur direkten oder indirekten Bestimmung der auf das mindestens eine Stellelement wirkenden Kraft; und eine Regeleinrichtung, die dazu ausgebildet ist, bei Kontakt zwischen der Handhabungsvorrichtung und einer Oberfläche die Kontaktkraft nach Maßgabe eines vorgebbaren Kraftverlaufs zu regeln.Handling device for automated contact tasks, comprising the following components: a mechanical interface for detachable or fixed connection of the handling device with a manipulator; a movable relative to the interface holder for receiving a tool; at least one gearless, static-free adjusting element for positioning the holder relative to the interface to the manipulator; a sensor device for directly or indirectly determining the force acting on the at least one actuating element; and a control device which is designed to control the contact force in accordance with a predeterminable force curve upon contact between the handling device and a surface. Handhabungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiter eine haftreibungsfrei gelagerte mechanische Führungseinrichtung zwischen Halterung und Schnittstelle zum Manipulator aufweist.Handling device according to claim 1, which further comprises a friction-free mounted mechanical guide device between the holder and interface to the manipulator. Handhabungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die weiter ein Federelement aufweist, das eine gegen die Kraftwirkung des haftreibungsfreien Stellelementes gerichtete Rückstellkraft auf die Halterung ausübt.Handling device according to claim 1 or 2, which further comprises a spring element which exerts a directed against the force of the friction-free actuating element restoring force on the holder. Handhabungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei das mindestens eine haftreibungsfreie Stellelement sowie das Federelement Kraft-Weg-Kennlinien aufweisen, die zusammen ein elastisches Verhalten der Handhabungsvorrichtung bestimmen, wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, die Kraft-Weg-Kennlinie des Stellelementes so einzustellen, dass die Handhabungsvorrichtung ein vorgegebenes elastisches Verhalten aufweist.Handling device according to claim 3, wherein the at least one static-free actuating element and the spring element force-displacement characteristics, which together determine an elastic behavior of the handling device, wherein the control device is adapted to adjust the force-displacement characteristic of the actuating element, that the Handling device has a predetermined elastic behavior. Handhabungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Stellelement ein Linearaktor, insbesondere ein kolbenloser pneumatischer Aktor, ein haftreibungsfreier Pneumatikzylinder oder ein elektrischer, getriebeloser Direktantrieb ist.Handling device according to one of claims 1 to 4, wherein the actuating element is a linear actuator, in particular a piston-free pneumatic actuator, a friction-free pneumatic cylinder or an electric, gearless direct drive. Handhabungsvorrichtung gemäß Anspruche 5, bei der die Sensoreinrichtung für jedes Stellelement einen Positionssensor aufweist zur Messung der Länge des jeweiligen Stellelementes oder zur Messung der Lage der Halterung relativ zu der Schnittstelle zum Manipulator.Handling device according to claim 5, wherein the sensor device for each actuator comprises a position sensor for measuring the length of the respective actuating element or for measuring the position of the holder relative to the interface to the manipulator. Handhabungsvorrichtung gemäß Anspruche 6, bei der die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, aus der gemessenen Länge des mindestens einen Stellelementes und aus dem im Stellelement herrschenden Druck die auf das Stellelement wirkende Kraft sowie die Position der Halterung relativ zu der Schnittstelle zum Manipulator zu berechnen.Handling device according to claim 6, wherein the sensor device is adapted to calculate from the measured length of the at least one adjusting element and from the pressure prevailing in the adjusting element, the force acting on the adjusting element and the position of the holder relative to the interface to the manipulator. Handhabungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem die Kraft-Weg-Kennlinie der Feder durch eine kinematische Anordnung an die Kraft-Weg-Kennlinie des haftreibungsfreien pneumatischen Stellelements angepasst ist.Handling device according to one of claims 3 to 7, wherein the force-displacement characteristic of the spring is adapted by a kinematic arrangement to the force-displacement characteristic of the friction-free pneumatic actuator. Handhabungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Stellelement ein kolbenloser pneumatischer Aktor oder ein haftreibungsfreier Pneumatikzylinder ist, wobei ein Abluftkanal des Stellelements mit einem Schlauch verbunden ist, der die Abluft von der Handhabungsvorrichtung weg führt.Handling device according to one of claims 1 to 8, wherein the actuating element is a piston-free pneumatic actuator or a friction-free pneumatic cylinder, wherein an exhaust duct of the actuating element is connected to a hose which leads the exhaust air from the handling device away. Verfahren zum Handhaben von Gegenständen oder zum Bearbeiten von Oberflächen mit einem Manipulator, einer an diesem angeordneten Handhabungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 sowie einem Werkzeug, welches mit dem Gegenstand bzw. der Oberfläche in Berührung kommt; das Verfahren umfasst: Positionieren des Werkzeuges durch entsprechendes Auslenken der Handhabungsvorrichtung, so dass die Kontaktkraft einem vorgegebenen Sollwert entspricht; Handhaben des Gegenstandes bzw. Bearbeiten der Oberfläche; Protokollieren der Position und der Kontaktkraft, die aus den von der Handhabungsvorrichtung bereitgestellten Messwerten bestimmt werden, während des Vorgangs des Handhabens bzw. Bearbeitens.A method for handling objects or for working surfaces with a manipulator, a handling device arranged thereon according to one of claims 1 to 9 and a tool which comes into contact with the object or the surface; the method comprises: Positioning of the tool by appropriate deflection of the handling device, so that the contact force corresponds to a predetermined target value; Handling the object or processing the surface; Logging the position and contact force determined from the measurements provided by the handling device during the handling process. Verfahren gemäß Anspruch 10, das weiter umfasst: Überprüfen – während des Vorgangs des Handhabens bzw. Bearbeitens – ob die Kontaktkraft innerhalb eines Vorgegebenen Toleranzbereichs um den Sollwert liegt.The method of claim 10, further comprising: Check - during the process of handling - whether the contact force is within a specified tolerance range around the setpoint. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem die Kontaktkraft abhängig von der Auslenkung der Handhabungsvorrichtung entsprechend einer vorgegebenen Kraft-Weg-Kennlinie automatisiert angepasst wird.A method according to claim 10 or 11, wherein the contact force is automatically adjusted depending on the deflection of the handling device according to a predetermined force-displacement curve. System umfassend einen Manipulator mit zumindest einem Freiheitsgrad, eine an dem Manipulator befestigte Handhabungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, ein an der Handhabungsvorrichtung angeordnetes Werkzeug für Kontaktaufgaben sowie eine Regeleinheit zur Regelung der von dem Werkzeug auf ein Werkstück ausgeübten Kraft, wobei die Regeleinheit dazu ausgebildet ist, mit Hilfe des Manipulators eine grobe Positionierung des Werkstücks vorzunehmen und mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung die Feinpositionierung und die Kraftregelung durchzuführen. System comprising a manipulator with at least one degree of freedom, a manipulator attached to the manipulator according to one of claims 1 to 9, arranged on the handling device tool for contact tasks and a control unit for controlling the force exerted by the tool on a workpiece force, wherein the control unit to is designed to make a rough positioning of the workpiece by means of the manipulator and perform the fine positioning and the force control using the handling device. System umfassend einen Manipulator mit zumindest einem Freiheitsgrad, eine an dem Manipulator befestigte Handhabungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, ein an der Handhabungsvorrichtung angeordnetes Werkzeug für Kontaktaufgaben sowie eine Regeleinheit zur Regelung der von dem Werkzeug auf ein Werkstück ausgeübten Kraft, wobei die Regeleinheit dazu ausgebildet ist, ausschließlich mit Hilfe des Manipulators eine Positionierung des Werkstücks vorzunehmen und mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung eine für die Kraftregelung notwendige Kraftmessung durchzuführen, wobei das elastische Verhalten der Handhabungsvorrichtung nach Maßgabe eines Sollwertes einstellbar ist.System comprising a manipulator with at least one degree of freedom, a manipulator attached to the manipulator according to one of claims 1 to 9, arranged on the handling device tool for contact tasks and a control unit for controlling the force exerted by the tool on a workpiece force, wherein the control unit to is designed to make only with the help of the manipulator positioning of the workpiece and perform with the help of the handling device necessary for the force control force measurement, wherein the elastic behavior of the handling device is adjustable in accordance with a desired value.
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