DE102015205494A1

DE102015205494A1 - Manipulatorsystem zum Handhaben eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102015205494A1
Application number: DE102015205494.2A
Authority: DE
Inventors: Julian Stockschläder; Richard Zunke; Thomas Wetzel
Original assignee: KUKA Systems GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2016-09-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Manipulatorsystem (1) zum Handhaben eines Werkstücks (2), aufweisend ein Kamerasystem (20) zum Erfassen der ersten und zweiten Koordinate des Werkstücks (2) und einen Manipulator (10) der mit einem Sauggreifer (30; 300) als Effektor ausgestattet ist. Das Manipulatorsystem (1) weist dabei Mittel (410) auf, um Druckveränderungen am Sauggreifer (30; 300) zu detektieren, und um basierend auf der erfassten Druckänderungen während einer Verlagerung des Sauggreifers (30; 300) mit einer Verlagerungskomponente entlang einer dritten Dimension, die dritte Koordinate des Werkstücks (2) zu ermitteln.

Description

1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Manipulatorsystem zum Handhaben eines Werkstücks und ein Verfahren zur Positionsbestimmung und zum Handhaben eines Werkstücks.
2. Technischer Hintergrund
In industriellen Arbeitsprozessen ist es häufig notwendig, dass eine große Anzahl an Werkstücken bewegt werden muss. Dabei werden beispielsweise Kleinteile, wie Schrauben oder Bolzen, typischerweise in Form von ungeordnetem Schüttgut, transportiert. Vor einer weiteren Verwendung der Kleinteile müssen diese aus dem Schüttgut vereinzelt werden.
Es ist vorteilhaft, Manipulatoren für die Vereinzelung und Bewegung von Werkstücken einzusetzen, da diese eine erhöhte Flexibilität im Vergleich zu starren Zuführsystemen aufweisen. Manipulatoren, und insbesondere Industrieroboter wie z.B. Gelenkarmroboter, sind frei programmierbare Maschinen, die sowohl stationär als auch beweglich einsetzbar sind. Mit einem betriebsintern bekannten Verfahren wird zur Handhabung von Werkstücken ein Industrieroboter zusammen mit einer Kamera eingesetzt, welche die räumliche (d.h. dreidimensionale) Position und die Ausrichtung der einzelnen Werkstücke erfasst. Diese Informationen werden dem Roboter bzw. der Robotersteuerung übermittelt, so dass der Roboter das Kleinteil greifen kann. Dieses Verfahren ist jedoch relativ kostenintensiv, da es u.a. eine aufwendige 3D-Bildverarbeitung erfordert.
Weiter sind Laserscanner zur Positionserkennung von Werkstücken vorbekannt, die z.B. eine 3D-Punktewolke von zu erfassenden Werkstücken, wie etwa von Schüttgut erzeugen. Diese wird mit dem bekannten CAD-Modell des zu erkennenden Werkstücks verglichen, um hieraus die Raumkoordinaten des Werkstücks zu bestimmen. Derartige Systeme sind jedoch relativ teuer und die Einrichtung der Bildverarbeitung ist aufwendig. Zudem sind auf Laserscanner basierte Systeme relativ langsam, da der Laser die zu erfassenden Werkstücke erst abfahren, d.h. scannen, muss.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Manipulatorsystem zur Handhabung von Werkstücken bereitzustellen, mit dem sicher und wirtschaftlich Werkstücke erkannt werden können, so dass diese z.B. von einem Manipulator ergriffen werden können. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, mit dem die Handhabung von Werkstücken verbessert bzw. vereinfacht werden kann. Eine weitere Aufgabe liegt darin ein weniger komplexes System bzw. Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese und weitere Aufgaben werden durch das Manipulatorsystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
3. Inhalt der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Manipulatorsystem zum Handhaben von Werkstücken, wobei die dreidimensionale Position der Werkstücke durch drei unabhängige Koordinaten gegeben ist und wobei das System ein Kamerasystem zum Erfassen der ersten und zweiten Koordinate des Werkstücks aufweist. Diese beiden Koordinaten beschreiben die Position des Werkstücks in einer ersten und zweiten Dimension, wie beispielsweise im Falle von kartesischen Koordinaten die Position des Werkstücks in der X- und Y-Ebene. Weiter ist ein Manipulator vorgesehen, der einen Sauggreifer als Effektor aufweist, wobei dem Sauggreifer Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks zugeordnet sind, um Werkstücke mithilfe von Unterdruck zu greifen. Diese Mittel umfassen beispielsweise eine Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Unterdruck, sodass, wenn der Sauggreifer auf einen zu handhabenden Gegenstand aufgesetzt wird, dieser durch den Unterdruck angesaugt wird. Demnach wird bevorzugt unter „Greifen“ hier insbesondere auch das Halten eines Gegenstandes/Werkstückes durch den Unterdruck bzw. das Ansaugen verstanden. Weiter ist vorgesehen, dass das Manipulatorsystem Mittel aufweist, um Druckveränderungen am Sauggreifer zu detektieren. Derartige Mittel können beispielsweise Drucksensoren sein, um den Druck an einer geeigneten Stelle zu messen. Die Mittel können jedoch auch indirekt wirken, indem beispielsweise die Pumpleistung überwacht wird, um aufgrund von Änderungen in der Pumpleistung auf Druckveränderungen am Sauggreifer zu schließen.
Erfindungsgemäß ist das Manipulatorsystem dabei eingerichtet, um während einer Verlagerung des Sauggreifers mit einer Verlagerungskomponente entlang einer dritten Dimension durch Überwachung der Druckveränderungen und/oder durch einen dem Sauggreifer zugeordneten Kollisionsdetektor, der eingerichtet ist, um einen Kontakt des Sauggreifers mit einem Hindernis zu detektieren, die Verlagerung des Sauggreifers zu ändern, insbesondere zu stoppen. Bei Feststellung einer Druckveränderung kann bspw. ein Signal an die Manipulatorsteuerung ausgegeben werden, dass die Verlagerung des Sauggreifers entlang der dritten Dimension stoppt. Alternativ oder in Ergänzung hierzu kann auch ein zugeordneter Kollisionsdetektor zur Anwendung kommen, über den, wenn er mit einem Hindernis in Kontakt kommt, ebenfalls z.B. ein entsprechendes Signal an die Manipulatorsteuerung gesendet wird, um die Verlagerung des Sauggreifers entlang der dritten Dimension zu stoppen. Durch die Verwendung beider Mittel ist aufgrund der Redundanz ein besonders sicherer Betrieb des Manipulatorsystems sichergestellt.
Vorzugsweise ist das Manipulatorsystem weiter eingerichtet, um während einer Verlagerung des Sauggreifers mit einer Verlagerungskomponente entlang einer dritten Dimension, durch Überwachung der Druckveränderungen die dritte Koordinate des zu handhabenden Werkstücks zu ermitteln. Während die Position in der ersten und zweiten Dimension durch das Kamerasystem erfasst wird, wird die Position in der dritten Dimension, wie beispielsweise der Z-Achse bei einem kartesischen Koordinatensystem, durch eine Verlagerung (Bewegung) des Sauggreifers ermittelt. Wenn der Sauggreifer auf einen zu handhabenden Gegenstand trifft, wird dieser Gegenstand angesaugt und lässt den Unterdruck im System ansteigen. Die Mittel zur Detektierung der Druckveränderung erfassen diese Druckveränderungen am Sauggreifer und geben ein entsprechendes Signal an die Manipulatorsteuerung. Auf diese Weise kann die dritte Koordinate des zu handhabenden Werkstücks einfach bestimmt werden, da die Manipulatorsteuerung zu jedem Zeitpunkt über die genauen und vollständigen Raumkoordinaten des Sauggreifers verfügt. Gleichzeitig kann das von der Druckveränderung ausgelöste Signal dazu verwendet werden, die Verlagerung des Sauggreifers entlang der dritten Dimension anzuhalten. Hierbei wird bevorzugt nicht die exakte dritte Koordinate des Werkstücks ermittelt, bzw. kann bevorzugt nicht ermittelt werden, da sich beispielsweise Verzögerungen beim Detektieren der Druckveränderung einstellen können. Jedoch wird die dritte Koordinate so präzise bestimmt, dass ein Verarbeiten durch das System möglich ist.
Das erfindungsgemäße Manipulatorsystem erlaubt es somit auf effiziente und präzise Weise Werkstücke zu erkennen und die räumliche Position des Werkstücks zu erfassen. Hierzu genügt vorteilhaft die Verwendung eines 2D-Kamerasystems, da das Kamerasystem nur zwei Koordinaten der Position des Werkstücks erfassen muss, was mit geringem Rechenaufwand verbunden ist. Die Überwachung der Druckveränderungen am Sauggreifer ist ebenfalls mit einfachen technischen Maßnahmen möglich, wie beispielsweise mittels einer Überwachung der Pumpleistung oder durch die Verwendung eines Drucksensors.
Vorzugsweise ist der Sauggreifer nachgiebig am Manipulator gehalten, um zumindest parallel zur Werkzeugstoßrichtung des Sauggreifers relativ zum Manipulator beweglich zu sein. Die nachgiebige Anordnung des Sauggreifers am Manipulator erlaubt es, einen längeren Anhalteweg für den Manipulator zuzulassen, da ein Kontakt des Sauggreifers mit einem zu erfassenden Werkstück, oder mit einem anderen Hindernis, nicht sofort zu Beschädigungen führt, wenn der Manipulator den Sauggreifer trotz Kontakt weiterbewegt. Die nachgiebige Halterung ist auch vorteilhaft, da je nach eingesetztem Mittel zur Detektion von Druckveränderungen die Regelung relativ träge ist. Zwischen dem Ergreifen eines Werkstücks durch den Sauggreifer und einer Detektion oder Erfassung der resultierenden Druckveränderungen können beispielsweise einige Millisekunden vergehen, in denen sich der Manipulator weiter fortbewegt, obwohl der Sauggreifer bereits in Kontakt mit dem Werkstück ist.
Vorzugsweise verfügt der Sauggreifer über einen elastischen Balg und/oder ein Federelement, um die Beweglichkeit relativ zum Manipulator zu ermöglichen. Ein derartiges Federelement kann beispielsweise eine Hydraulik- oder Pneumatikfeder sein, die es dem Sauggreifer ermöglicht vorzugsweise entgegen der Werkzeugstoßrichtung nachzugeben, wenn der Sauggreifer an ein Hindernis stößt.
Wie oben erwähnt ist es bevorzugt, wenn dem Sauggreifer ein zusätzlicher Kollisionsdetektor zugeordnet ist, der eingerichtet ist, um einen Kontakt des Sauggreifers mit einem Hindernis zu detektieren. Ein derartiger Kollisionsdetektor kann als zusätzliche Sicherung dienen, für beispielsweise den Fall, dass der Sauggreifer ein zu handhabendes Werkstück nicht richtig ergreift, so dass es zu keinen ausreichend großen Druckveränderungen am Sauggreifer kommt, wodurch es nicht möglich ist den Kontakt des Sauggreifers mit dem Werkstück anhand einer Überwachung der Druckveränderungen zu erfassen. In einem derartigen Fall würde der Manipulator beispielsweise den Sauggreifer weiter in Werkzeugstoßrichtung fortbewegen, so dass es zu Beschädigungen kommen kann. Der vorzugsweise zusätzliche Kollisionsdetektor ist daher vorzugsweise derart angebracht, dass er in derartigen Fällen ein Anhalten des Manipulators bewirkt. Vorteilhaft ist es auch möglich, den Kollisionsdetektor als vorrangiges Detektionsmittel zu verwenden, so dass die Änderung der Verlagerung des Sauggreifers, und insbesondere das Stoppen der Verlagerung des Sauggreifers, durch den Kollisionsdetektor veranlasst wird. Die Abbruchbedingung für die Verlagerung des Sauggreifers wird also alleine durch den Kollisionsdetektor detektiert. Die Überwachung der Druckänderung am Sauggreifer kann dann bspw. dazu verwendet werden, ein korrektes Greifen eines Werkstücks zu detektieren.
Vorzugsweise ist der Kollisionsdetektor als Federstößel ausgebildet, dessen Federweg parallel zur Werkzeugstoßrichtung des Sauggreifers ausgerichtet ist. Ein derartiger Federstößel ist mechanisch robust und kostengünstig und erlaubt somit in einfacher und sicherer Weise die Detektion beispielsweise eines Hindernisses.
Dabei ist vorzugsweise die Detektionfläche des Federstößel in Werkzeugstoßrichtung hinter dem Sauggreifer angeordnet, so dass der Sauggreifer bei einer Bewegung in Werkzeugstoßrichtung ein vorhandenes Hindernis kontaktiert, bevor die Detektionsfläche des Federstößels das Hindernis berührt. Bevorzugt ist die Kontaktfläche derart angeordnet, dass im Normalfall der Stößel einen Kontakt bzw. eine Kollision detektiert, kurz nachdem der Sauggreifer ein Werkstück korrekt gegriffen hat. Der Federstößel kann bei dieser Anordnung auch als zusätzliche Sicherung dienen, für den Fall, dass der Kontakt des Sauggreifers mit einem Hindernis nicht durch eine Überwachung der Druckveränderungen am Sauggreifer erkannt wird bzw. erkannt werden kann. Da der Sauggreifer vorzugsweise nachgiebig am Manipulator gehalten ist, wird er in einem derartigen Fall (d.h. bei Kontakt mit einem Hindernis) nachgeben, während der Manipulator den Sauggreifer weiter in Werkzeugstoßrichtung fortbewegt. Der Sauggreifer gibt dabei solange nach, bis das Hindernis mit der Detektionsfläche des Federstößels in Kontakt kommt, und somit auch den Federstößel bei einer weiteren Fortbewegung des Manipulators betätigt. Die Betätigung des Federstößels wird mit geeigneten Mitteln überwacht, und ein entsprechendes Signal an die Manipulatorsteuerung ausgegeben, um eine Änderung des Verlagerns des Sauggreifers zu veranlassen.
Vorzugsweise sind die Mittel, um Druckveränderungen am Sauggreifer zu detektieren eingerichtet, um diejenige Druckänderung zu detektieren, die auftritt, wenn der Sauggreifer ein Werkstück gegriffen hat. Im Betrieb des Sauggreifers kann es durch Schwankungen in der Pumpleistung, Verunreinigungen, Toleranzen etc. zu Druckänderungen kommen, die nicht daraus resultieren, dass der Sauggreifer ein Werkstück korrekt gegriffen hat. Die Druckänderung durch korrektes Greifen eines Werkstücks ist charakteristisch und diese besondere Charakteristik kann genutzt werden, um diese Druckänderungen von anderen Druckänderungen zu unterscheiden. Durch die Hinterlegung charakteristischer Druckänderungen beim korrekten Greifen eines Werkstücks ist eine besonders sichere und zuverlässige Ermittlung des Erstkontakts des Sauggreifers mit einem zu greifenden Werkstück möglich. Auf diese Weise ist es möglich ein korrektes Greifen eines Werkstücks zu detektieren. Diese Information ist für viele Anwendungen vorteilhaft und kann bspw. zu einer Ermittlung der dritten Koordinate des Werkstücks genutzt werden, oder um im Handhabungsprozess weitere Aktionen zu bewirken. Die Charakteristik kann hierbei bevorzugt bestimmte definierte Werte und/oder Wertebereiche umfassen. Bevorzugt ist es möglich, dass die ermittelten Werte der Druckänderung zunächst Berechnungen oder Ermittlungen durchlaufen und die entstehenden Ergebnisse mit einer oder mehreren Charakteristiken abgeglichen werden.
Vorzugsweise weist das Kamerasystem eine 2D-Kamera zum Erfassen der ersten und zweiten Koordinate auf. Die erste und zweite Koordinate spannen dabei eine zweidimensionale Ebene auf. Durch Analyse der aufgenommenen Bilder der 2D-Kamera kann die Position und vorzugsweise auch die Orientierung der fotografierten bzw. aufgenommenen Objekte/Werkstücke in zwei Dimensionen ermittelt werden. Im Betrieb wird der Manipulator, bzw. der Sauggreifer des Manipulators, zu dieser erfassten Position der ersten und zweiten Koordinate geführt. Nachdem diese Position erreicht ist, verlagert der Manipulator den Sauggreifer mit einer Verlagerungskomponente entlang der dritten Dimension, d.h. einer Dimension die orthogonal zu der ersten und zweiten Dimension ist. Die dritte Koordinate beschreibt dabei die Position des Werkstücks bzw. Objekts entlang der dritten Dimension, welche nicht durch das 2D-Kamerasystem erfasst wurde. Wenn der Sauggreifer das Werkstück kontaktiert, kommt es zu Druckveränderungen am Sauggreifer, die erfindungsgemäß detektiert werden. Ein entsprechend ausgegebenes Signal erlaubt dann bspw. die Bestimmung der dritten Koordinate des Werkstücks oder eine Änderung der Verlagerung des Sauggreifers. Die Verwendung einer Kamera zur Bestimmung einer zweidimensionalen Position des Werkstücks ist präzise und mit relativ geringem Aufwand verbunden. Durch das Überwachen der Druckveränderungen am Sauggreifer kann somit bevorzugt einfach die dreidimensionale Position von Werkstücken oder Objekten erfasst werden, ohne dass aufwändige 3D-Analysen von aufgenommenen Bildern durchgeführt werden müssen.
Die drei unabhängigen Koordinaten sind vorzugsweise kartesische Koordinaten und die drei Dimensionen entsprechen jeweils der X-, Y- und Z-Achse. Dabei wird die Position eines Werkstücks in jeder der drei Dimensionen durch jeweils eine der drei Koordinaten ausgedrückt. Somit lässt sich die räumliche Position des Werkstücks in einem Koordinatensystem ausdrücken, welches durch eine Basis mit drei linear unabhängigen Basisvektoren gegeben ist. Da der Ursprung dieses Koordinatensystems in Relation zum Manipulator bekannt ist, bzw. einfach ermittelt werden kann, ist es möglich den Sauggreifer präzise zu den erfassten Koordinaten zu bewegen. Vorteilhaft werden von dem Kamerasystem die X- und Y-Koordinate des zu handhabenden Werkstücks erfasst, sowie vorzugsweise der Drehwinkel des Werkstücks. Daraufhin wird der Sauggreifer in neutraler Höhe über dem Werkstück platziert. Anschließend fährt der Manipulator den Sauggreifer mit verlangsamter Geschwindigkeit senkrecht, d.h. orthogonal zu der von der X- und Y-Achse aufgespannten Ebene, in Richtung des Werkstücks. Trifft der Sauggreifer auf das Werkstück, wird dieses angesaugt und lässt den Unterdruck im System ansteigen. Ein beispielsweise Vakuumschalter gibt durch den ansteigenden Unterdruck im System ein logisches Signal aus. Dieses Signal wird beispielsweise von der Manipulatorsteuerung erfasst und dient als Abbruchkriterium für die Bewegung in Z-Richtung und gleichzeitig ermöglicht dieses Signal die Ermittlung der dritten Koordinate des Werkstücks, da die Manipulatorsteuerung über die genaue Z-Position des Sauggreifers zum Zeitpunkt des ausgegebenen Signals verfügt. Ebenso ist bevorzugt denkbar, dass eine zwischengeschaltete Steuerung und/oder Logik zunächst das ausgegebene logische Signal des beispielsweise Vakuumschalters erfasst und direkt und/oder indirekt an die Manipulatorsteuerung weitergibt.
Vorzugsweise ist der Manipulator ein Gelenkarmroboter und eingerichtet, um in Nachgiebigkeitsregelung betrieben zu werden. Dies kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass die Gelenke des Gelenkarmroboters Kraft- bzw. Momentsensoren aufweisen. Die Nachgiebigkeitsregelung von Gelenkarmrobotern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, so dass hier auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden soll. Die Nachgiebigkeitsregelung bietet den Vorteil, dass sie – ähnlich wie der oben beschriebene Kollisionsdetektor – als Sicherungseinrichtung verwendet werden kann, um eine unerwünschte Kollision des Sauggreifers mit einem Hindernis zu detektieren. Wenn der Sauggreifer beispielsweise ein Werkstück nicht richtig erfasst, so ist er zwar in Kontakt mit dem Werkstück, jedoch sind die Druckveränderungen am Sauggreifer unter Umständen nicht geeignet, um vom Manipulatorsystem als Greifen eines Werkstücks erkannt zu werden. In einem derartigen Fall würde der Manipulator den Sauggreifer weiter in Werkzeugstoßrichtung fortbewegen, wodurch es zu Beschädigungen am Sauggreifer, Werkstück und/oder Manipulator kommen kann. Durch den Betrieb in Nachgiebigkeitsregelung kann dies sicher verhindert werden, in dem die Kräfte bzw. Momente am Gelenkarmroboter überwacht werden und die Bewegung bzw. Verlagerung des Sauggreifers angehalten wird, wenn bestimmte Grenzwerte überschritten werden, unabhängig von den Signalen der Drucküberwachungsmittel.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Handhabung eines Werkstücks mittels eines Manipulators, der mit einem Sauggreifer als Effektor ausgestattet ist, und welchem Sauggreifer Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks zugeordnet sind, um Werkstücke mit Hilfe von Unterdruck zu greifen, und wobei die dreidimensionale Position des Werkstücks durch jeweils drei unabhängige Koordinaten gegeben ist. Dabei weist das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte auf:

– Erfassen der ersten und zweiten Koordinate des Werkstücks mittels eines Kamerasystems, wobei die erste und zweite Koordinate des Werkstücks die Position des Werkstücks in einer ersten und zweiten Dimension beschreiben;
– Positionieren des Sauggreifers in einer initialen Position, so dass die erste und zweite Koordinate des Sauggreifers der erfassten ersten und zweiten Koordinate des Werkstücks entspricht, und wobei die dritte Koordinaten des Sauggreifers einem vordefinierten Wert entspricht, so dass der Sauggreifer und das Werkstück einen räumlichen Abstand aufweisen;
– Ändern, und insbesondere Beenden, des Verlagerns in Reaktion auf ein im Folgenden genanntes Bestimmen: – a) Bestimmen, während des Verlagerns, ob ein überwachter, am Sauggreifer wirkender Unterdruck einen vordefinierten Grenzwert überschreitet; und/oder – b) Bestimmen, während des Verlagerns, eines Kontakts des Sauggreifers mit einem Hindernis durch einen dem Sauggreifer zugeordneten Kollisionsdetektor.

Das Verfahren ermöglicht somit das sichere und einfache Bestimmen einer Abbruchbedingung bzw. Änderung der Verlagerung des Manipulators und ermöglicht weiterhin bevorzugt auch das sichere und einfache Bestimmen der räumlichen Koordinaten eines zu greifenden Werkstücks, indem mit einem einfachen Kamerasystem, welches nicht zwingend eine 3D-Kamera benötigt, nur die erste und zweite Koordinate des Werkstücks ermittelt werden. Die dritte Koordinate des Werkstücks, wie beispielsweise die Z-Position, wird dann durch den Sauggreifer bzw. den Manipulator selbst bestimmt, indem sich der am Sauggreifer vorliegende Unterdruck und/oder die durch den Kollisionsdetektor detektierte Kollision zu Nutze gemacht wird, um – vorzugsweise ohne weitere zusätzliche Positionssensoren – die dritte Koordinate des Werkstücks zu ermitteln bzw. die Verlagerung zu verändern und bevorzugt zu stoppen/anzuhalten.
Auch beim erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhaft vorgesehen sein, den Kollisionsdetektor zusätzlich vorzusehen, um eine redundante Detektionsmöglichkeit zu bieten. Wenn der Kollisionsdetektor bspw. einen Kontakt mit einem Hindernis detektiert, kann ein entsprechendes Signal ausgegeben werden, um das Verlagern des Manipulators zu ändern und insbesondere zu beenden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht beispielsweise eine Schüttgutvereinzelung aus einer Kiste mit unbekanntem Füllstand nur unter Verwendung einer 2D-Kamera und einer Überwachung der Druckverhältnisse am Sauggreifer. Mittels des Sauggreifers können Druckveränderungen bei gelungenem Greifen/Ansaugen eines zu greifenden Werkstücks erfasst werden und zwar mit einfachen Mitteln, die häufig bei derartigen Sauggreifern ohnehin vorgesehen sind, wie etwa einem Vakuumschalter oder durch eine Überwachung der Leistungsaufnahme der Pumpe. Die vorliegende Erfindung ermöglicht zudem Taktzeitverbesserungen, da die 2D-Bildverarbeitung im Vergleich zu einer 3D-Bildverarbeitung oder einem Laserscanner erheblich geringeren Rechenaufwand benötigt und somit das Erfassen der zu handhabenden Werkstücke schneller möglich ist. Im einfachsten Fall erlaubt es die Erfindung all dies zu erreichen ohne dass weitere (Positions-)Sensoren notwendig sind. Eine 2D-Kamera sowie die ohnehin am Sauggreifer vorhandenen Mitteln zu Überwachung des Unterdrucks sind ausreichend.
4. Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher beschrieben.
Es zeigt beispielhaft:
1 schematisch ein erfindungsgemäßes Manipulatorsystem;
2 den schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 eine geschnittene Ansicht eines Sauggreifers; und
4 schematisch Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks sowie Mittel zum überwachen von Druckänderungen am Sauggreifer.
In die 1a) bis 1b) ist schematisch der Ablauf der Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Manipulatorsystems 1 zur Handhabung eines Werkstücks 2 dargestellt. Das Manipulatorsystem 1 weist einen Manipulator 10 in Form eines Gelenkarmroboters auf. Als Effektor ist am Handflansch des Manipulators 10 ein Sauggreifer 30 vorgesehen, der Werkstücke mithilfe von Unterdruck greifen kann. Weiter ist ein Kamerasystem 20 vorgesehen, mit dem zwei Raumkoordinaten eines zu greifenden Werkstücks 2 erfasst werden können. Das Kamerasystem 20 umfasst daher eine 2D-Kamera 21, welche zweidimensionale Bilder aufnehmen kann. Diese zweidimensionalen Bilder können entweder von dem Kamerasystem 20 oder einem anderen System, wie beispielsweise einem Computer, ausgewertet werden, um zweidimensionale Informationen aus den aufgenommenen Bildern zu erhalten. Die 2-D Kamera 20 ist so positioniert, dass sie es ermöglicht, ortsaufgelöste Bilder in der X/Y-Ebene aufzunehmen. Folglich können aus den aufgenommenen Bildern die X/Y-Positionen der aufgenommenen Werkstücke 2 ermittelt werden, d.h. eine erste und eine zweite Koordinate.
In 1 ist eine Werkstückbox 3 dargestellt, in welcher sich mehrere Werkstücke 2 befinden. Diese Werkstücke 2 können z.B. als Schüttgut vorliegen. Die Werkstückbox 3 ist unterhalb der 2D-Kamera 21 positioniert, so dass die 2D-Kamera 21 zweidimensionale Bilder von den Werkstücken 2 aufnehmen kann. Durch die Auswertung der Bilder können zweidimensionale Informationen, nämlich insbesondere die X/Y-Koordinaten der Werkstücke 2 erhalten werden.
Der dargestellte Manipulator 10 bzw. dessen Steuerung ist mit dem Kamerasystem 20 verbunden. Somit kann der Manipulator 10 die von der 2D-Kamera aufgenommenen Bilder zur Positionsbestimmung der Werkstücke 2 in der X/Y-Ebene nutzen, bzw. der Manipulator 10 bekommt die Ortsinformationen vom Kamerasystem 20 geliefert.
In 1a bewegt sich der Manipulator 10 in X- und Y-Richtung fort, bis er sich über dem zu greifenden Werkstück 2 befindet, bzw. über der X/Y-Position des Werkstücks 2 in der X/Y-Ebene. Nachdem die korrekte X/Y-Position erreicht wurde, verlagert der Manipulator 10 den Sauggreifer 30 entlang der dritten Dimension, hier entlang der Z-Achse, die orthogonal zur X/Y-Ebene ist. Im gezeigten Beispiel wird der Sauggreifer 30 in Werkzeugstoßrichtung auf das Werkstück 2 zubewegt. Während dieser Verlagerung in Z-Richtung wird der Sauggreifer aktiviert und ein entsprechender Unterdruck am Sauggreifer erzeugt. Trifft der Sauggreifer 30 auf die Oberfläche des Werkstücks 2, wird dieses angesaugt, wodurch der Unterdruck im System ansteigt. Diese Druckveränderungen werden mit geeigneten Mitteln, wie etwa einem Drucksensor, detektiert und ein entsprechendes Signal an die Manipulatorsteuerung gegeben. Anhand dieses Signals erkennt die Manipulatorsteuerung, dass ein Kontakt des Sauggreifers mit dem Werkstück stattgefunden hat, und kann daraus die dritte Koordinate bzw. dritte Dimension des Werkstücks 2 ableiten. Sobald die Manipulatorsteuerung das Signal erhalten hat, wird vorzugsweise die Verlagerung des Sauggreifers in Z-Richtung gestoppt. Das gegriffene Bauteil kann dann vom Manipulator beliebig weiter bewegt werden.
In 1c) ist zu erkennen, dass der Sauggreifer 30 über einen elastischen Balg verfügt, so dass der Sauggreifer nachgiebig am Manipulator 10 gehalten ist, um im gezeigten Beispiel parallel zur Werkzeugstoßrichtung relativ zum Manipulator beweglich zu sein. Dies ist vorteilhaft, da die Regelung des Manipulatorsystems mit Hilfe der Überwachung der Druckänderung unter Umständen relativ träge ist, so dass der Manipulator 10 sich noch weiter bewegt, wenn der erste Kontakt zwischen Sauggreifer 30 und Werkstück 2 erfolgt ist.
Die 2 zeigt exemplarisch den Ablauf eines Verfahrens zum Erfassen der Position eines Werkstücks und anschließendem Handhaben dieses Werkstücks. Das Verfahren kann beispielsweise von dem in 1 dargestellten Manipulatorsystem durchgeführt werden und beginnt in Schritt 200. In Schritt 201 wird der Sauggreifer mittels des Manipulators 10 an die zuvor ermittelte X/Y-Position des Werkstücks 2 verlagert bzw. positioniert. Dann wird in Schritt 202 der Sauggreifer aktiviert und am Sauggreifer ein Unterdruck erzeugt. In Schritt 203 wird der Sauggreifer in Richtung der Z-Achse auf das Werkstück hin verlagert (wie etwa in 1b gezeigt). In Schritt 204 wird geprüft, ob ein Federstößel eines Kollisionsdetektors, wie etwa in den 3 und 4 gezeigt, eingefedert ist. Wird dies bejaht, wird geprüft, ob eine Unterdruckschwelle erreicht ist oder nicht. Dies geschieht bei Schritt 205. Wenn der Unterdruck am Manipulator einen bestimmten Grenzwert erreicht hat (d.h. der Sauggreifer hat ein Werkstück korrekt ergriffen bzw. angesaugt), wird die Verlagerung des Sauggreifers bei 206 gestoppt und die Manipulatorsteuerung kann bspw. die dritte Koordinate des Werkstücks ermitteln. In Schritt 207 wird das so gegriffene Werkstück dann wie gewünscht platziert.
Wird bei Schritt 205 festgestellt, dass die Unterdruckschwelle nicht erreicht ist (d.h. der Sauggreifer hat kein Werkstück korrekt ergriffen bzw. angesaugt), obwohl der Federstößel bei 204 als eingefedert erkannt wurde, erfolgt bei 208 die Feststellung, dass ein Fehler vorliegt. Dies führt bei 209 ebenfalls zu einem Bewegungstopp und einer entsprechenden Kollisionswarnung in Schritt 210. Der Manipulator wird dann bei 211 wieder zurück in seine Ausgangsposition verfahren.
In 3 ist in geschnittener Darstellung eine Ausführungsform eines Sauggreifers 300 dargestellt. Der Sauggreifer 300 verfügt nicht über einen elastischen Balg wie der Sauggreifer 30, sondern über ein Federelement in Form einer pneumatischen Feder 310. Dennoch wäre es bevorzugt möglich zusätzlich zu dem Federelement einen elastischen Balg anzuordnen. Das Gehäuse 301 des Sauggreifers 300 ist hierfür mit einem Anschluss 311 für Druckluft versehen. Ein Kolben 320 ist im Gehäuse 301 geführt und kann gegen den Druck der pneumatischen Feder 310 nach oben, d.h. entgegen der Werkzeugstoßrichtung, relativ zum Manipulator bewegt werden. Mit anderen Worten, der Kolben 320 kann einfedern, um bei einem Kontakt mit einem Gegenstand Beschädigungen an Gegenstand oder Sauggreifer zu verhindern. Bei 321 ist ein Anschluss für eine Vakuumpumpe gezeigt, die in einem Hohlraum 322 und am Kopf 323 des Sauggreifers einen Unterdruck erzeugt, um Gegenstände ansaugen und halten zu können. Der Kopf des Sauggreifers 323 ist vorteilhaft aus einem elastischen Material, wie etwa Gummi gefertigt. Der Sauggreifer 300 verfügt weiter über einen Sensor 340, der eine Bewegung des Kolbens 320 relativ zum Gehäuse 301 detektieren kann. Detektiert der Sensor 340 beispielsweise eine Bewegung des Kolbens 320, so gibt er ein Signal an die Manipulatorsteuerung aus, die dann einen Bewegungsstopp des Manipulators bewirkt. Der Sensor 340 dient somit als (zusätzlicher) Kollisionsdetektor, um einen Kontakt des Sauggreifers mit einem Hindernis zu detektieren.
In 4 ist der Sauggreifer 300 und sein Zusammenwirken mit einer Manipulatorsteuerung 400 schematisch dargestellt. Die Manipulatorsteuerung 400 ist beispielsweise einem mehrachsigen Gelenkarmroboter zugeordnet, der den Sauggreifer 300 als Endeffektor trägt bzw. an welchem ein Sauggreifer 300 als Endeffektor angeordnet ist, wie etwa den Sauggreifer 30 bei der Ausführungsform der 1. Der Sensor 340 ist mit der Manipulatorsteuerung 400 verbunden, um Signale an die Manipulatorsteuerung zu senden, wenn der Kolben 320 relativ zum Gehäuse 301 bewegt wird. Eine derartige Bewegung zeigt an, dass der Kopf 323 des Sauggreifers 300 gegen ein Hindernis gestoßen ist. Im Schaubild ist weiter eine Vakuumpumpe 420 abgebildet, die von der Manipulatorsteuerung 400 angesteuert werden kann, um den Sauggreifer 300 zu aktivieren. Über Leitungen 421, die am Anschluss 321 des Sauggreifers 300 angeschlossen sind, wird der Hohlraum 322 (siehe 3) des Sauggreifers evakuiert und ein Unterdruck am Kopf 323 des Sauggreifers 300 erzeugt. Weiter ist ein Drucksensor 410 vorgesehen, der beispielsweise den Druck in der Leitung 421 überwacht, und mithin auch indirekt den am Sauggreifer 300 anliegenden Unterdruck. Der Drucksensor 410 ist ebenfalls über eine Signalleitung mit der Manipulatorsteuerung 400 verbunden. Wenn der Sauggreifer 300 ein Werkstück ansaugt kommt es zu einem Anstieg des Unterdrucks am Kopf 323 des Sauggreifers, dem Hohlraum 322 und der Leitung 421. Diese Druckänderung wird vom Drucksensor 410 erfasst, der dann ein Signal an die Manipulatorsteuerung 400 sendet. Die Manipulatorsteuerung 400 kann anhand dieses Signals und der bekannten Position des Sauggreifers 300 zum Signalzeitpunkt die dritte Koordinate des Werkstücks ermitteln. Das Signal kann auch dazu verwendet werden, um die Verlagerung des Sauggreifers 30 zu ändern. Jedoch ist beim Ausführungsbeispiel der 4 hierfür vorrangig ein gesonderter Kollisionsdetektor vorgesehen, der im Folgenden beschrieben wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 4 ist ein zusätzlicher Kollisionsdetektor in Form eines Federstößels 350 vorgesehen. Der Stößel 352 des Federstößels 350 ist in der durch den Doppelpfeil angedeuteten Richtung gegen die Kraft einer Feder im Gehäuse des Federstößels 350 beweglich. Der Federweg des Federstößels ist parallel zur Werkzeugstoßrichtung des Sauggreifers 300 und die Detektionsfläche 351 ist in Werkzeugstoßrichtung hinter dem Sauggreifer 300 bzw. dem Kopf 323 des Sauggreifers angeordnet, so dass der Sauggreifer bei einer Bewegung in Werkzeugstoßrichtung ein vorhandenes Hindernis kontaktiert, bevor die Detektionsfläche 351 des Stößels 352 das Hindernis berührt.
Der Federstößel 350 dient als primäres Sicherungsmittel und gibt ein Signal an die Manipulatorsteuerung 400 aus, wenn die Detektionfläche 351 in Kontakt mit einem Hindernis gerät und der Stößel 352 entsprechend bewegt wird. Das Beispiel der 4 verfügt somit über zwei Detektionsmittel um einen Kontakt des Sauggreifers mit einem Hindernis zu detektieren: den Federstößel 350 als primäres Detektionsmittel und die Drucküberwachung am Sauggreifer 300 als sekundäres Detektionsmittel. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass die Erfindung auch mit nur einem der beiden Detektionsmittel ausführbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Manipulatorsystem
2: Werkstücke
3: Werkstückbox
10: Manipulator (Gelenkarmroboter)
20: Kamerasystem
21: 2D Kamera
30; 300: Sauggreifer
200–211: Verfahrensschritte
301: Gehäuse des Sauggreifers
301: pneumatische Feder
311: Anschluss für Druckluft
320: Kolben
321: Anschluss
322: Hohlraum
323: Kopf des Sauggreifers
340: Sensor
350: Federstößel
351: Detektionsfläche
352: Stößel
400: Manipulatorsteuerung
410: Drucksensor
420: Vakuumpumpe
421: Leitungen

Claims

Manipulatorsystem (1) zum Handhaben eines Werkstücks (2), wobei die dreidimensionale Position des Werkstücks (2) durch drei unabhängige Koordinaten gegeben ist, aufweisend: ein Kamerasystem (20) zum Erfassen der ersten und zweiten Koordinate des Werkstücks (2), die die Position des Werkstücks (2) in einer ersten und zweiten Dimension beschreiben, und einen Manipulator (10) der mit einem Sauggreifer (30; 300) als Effektor ausgestattet ist, welchem Sauggreifer (30; 300) Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks (420) zugeordnet sind, um Werkstücke (2) mit Hilfe von Unterdruck zu greifen, wobei das Manipulatorsystem (1) Mittel (410) aufweist, um Druckveränderungen am Sauggreifer (30; 300) zu detektieren, und wobei das Manipulatorsystem (1) eingerichtet ist, während einer Verlagerung des Sauggreifers (30; 300) mit einer Verlagerungskomponente entlang einer dritten Dimension durch Überwachung der Druckveränderungen, und/oder durch einen dem Sauggreifer (30; 300) zugeordneten Kollisionsdetektor (340; 350), der eingerichtet ist, um einen Kontakt des Sauggreifers (30; 300) mit einem Hindernis zu detektieren, die Verlagerung des Sauggreifers (30; 300) zu ändern, insbesondere zu stoppen.
Manipulatorsystem nach Anspruch 1, wobei der Sauggreifer (30; 300) nachgiebig am Manipulator (10) gehalten ist, um zumindest parallel zur Werkzeugstoßrichtung des Sauggreifers (30; 300) relativ zum Manipulator (10) beweglich zu sein.
Manipulatorsystem nach Anspruch 2, wobei der Sauggreifer (30; 300) über einen elastischen Balg verfügt und/oder ein Federelement (310), um die Beweglichkeit relativ zum Manipulator (10) zu ermöglichen.
Manipulatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei das Manipulatorsystem (1) weiter eingerichtet ist durch Überwachung der Druckveränderungen die dritte Koordinate des Werkstücks zu ermitteln.
Manipulatorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Kollisionsdetektor (350) als Federstößel (350) ausgebildet ist, dessen Federweg parallel zur Werkzeugstoßrichtung des Sauggreifers (30; 300) ausgerichtet ist.
Manipulatorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Detektionsfläche (351) des Federstößels (350) in Werkzeugstoßrichtung hinter dem Sauggreifer (30; 300) angerordnet ist, so dass der Sauggreifer (30; 300) bei einer Bewegung in Werkzeugstoßrichtung ein vorhandenes Hindernis kontaktiert, bevor die Detektionsfläche (351) des Federstößels (350) das Hindernis berührt.
Manipulatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel (410), um Druckveränderungen am Sauggreifer (30; 300) zu detektieren eingerichtet sind, um diejenige Druckänderung zu detektieren, die Auftritt, wenn der Sauggreifer (30; 300) ein Werkstück (2) gegriffen hat.
Manipulatorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Kamerasystem (20) eine 2D Kamera (21) umfasst.
Manipulatorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die drei unabhängigen Koordinaten kartesische Koordinaten sind und die drei Dimensionen jeweils der x-, y-, und z-Achse entsprechen.
Manipulatorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Manipulator (10) ein Gelenkarmroboter ist und eingerichtet ist, um in Nachgiebigkeitsregelung betrieben zu werden.
Manipulatorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei alle Gelenke des Gelenkarmroboters Kraft- bzw. Momentsensoren aufweisen.
Verfahren zur Handhabung eines Werkstücks mittels eines Manipulators, der mit einem Sauggreifer (30; 300) als Effektor ausgestattet ist, welchem Sauggreifer (30; 300) Mittel (420) zum Erzeugen eines Unterdrucks zugeordnet sind, um Werkstücke (2) mit Hilfe von Unterdruck zu greifen, und wobei die dreidimensionale Position des Werkstücks (2) durch jeweils drei unabhängige Koordinaten gegeben ist, aufweisend folgende Verfahrensschritte: – Erfassen der ersten und zweiten Koordinate des Werkstücks mittels eines Kamerasystems (20), wobei die erste und zweite Koordinate des Werkstücks die Position des Werkstücks in einer ersten und zweiten Dimension beschreiben; – Positionieren des Sauggreifers (30; 300) in einer initialen Position, so dass die erste und zweite Koordinate des Sauggreifers (30; 300) der erfassten ersten und zweiten Koordinate des Werkstücks (2) entspricht, und wobei die dritte Koordinate des Sauggreifers (30; 300) einem vordefinierten Wert entspricht, so dass der Sauggreifer (30; 300) und das Werkstück (2) einen räumlichen Abstand aufweisen; – Verlagern, nach dem Positionieren, des Sauggreifers (30; 300) entlang einer Verlagerungsrichtung mit einer Verlagerungskomponente in einer dritten Dimension; – Ändern und insbesondere Beenden des Verlagerns in Reaktion auf ein im Folgenden genanntes Bestimmen: a) Bestimmen, während des Verlagerns, ob ein überwachter, am Sauggreifer (30; 300) wirkender Unterdruck einen vordefinierten Grenzwert überschreitet; und/oder b) Bestimmen, während des Verlagerns, eines Kontakts des Sauggreifers (30; 300) mit einem Hindernis durch einen dem Sauggreifer (30; 300) zugeordneten Kollisionsdetektor (340; 350).
Verfahren nach Anspruch 12, weiter aufweisend: Bestimmen der dritten Koordinate des Werkstücks (2) basierend auf der Position des Sauggreifers (30; 300) beim Beenden des Verlagerns.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei der Kollisionsdetektor (350) als Federstößel (350) ausgebildet ist, dessen Federweg parallel zur Werkzeugstoßrichtung des Sauggreifers (30; 300) ausgerichtet ist.