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Die vorliegende Erfindung betrifft eine ansteuerbare Haltestruktur sowie eine Haltevorrichtung zum Halten mindestens eines Objekts, wie z. B. Bauteilen in einer Fließfertigung, aufweisend eine derartige Haltestruktur.
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Es ist bekannt, Objekte mittels manueller oder automatischer Handlingsvorrichtungen, wie z. B. Montagerobotern, zu halten und ggf. von einer ersten Lage in eine zweite Lage zu bringen. Zum Halten der Objekte weisen bekannte Handlingsvorrichtungen eine Haltevorrichtung auf, die beispielsweise als Saug- oder Greifvorrichtung ausgebildet ist. Saugvorrichtungen haben den Nachteil, dass diese nur zum Halten relativ glatter Oberflächen ausgebildet sind, raue bzw. poröse Oberflächen oder runde Stäbe sind mittels solcher Saugvorrichtungen nur bedingt haltbar. Greifvorrichtungen haben den Nachteil, dass mittels dieser eine Klemmkraft auf das zu haltende Objekt ausgeübt wird. Hierfür muss das Objekt einen entsprechenden Greifbereich aufweisen, der von der Greifvorrichtung greifbar ist. Ferner haben die Greifvorrichtungen den Nachteil, dass beim Greifen das Objekt bzw. eine Oberfläche des Objekts leicht beschädigt werden kann, wodurch hohe Nachbesserungskosten entstehen können. Allgemein haben bekannte Haltevorrichtungen den Nachteil einer relativ großen Baugröße.
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Ferner sind Haltestrukturen bekannt, die aufgrund ihrer Oberfläche zum Halten von Objekten ausgebildet sind, wie z. B. Lamellenstrukturen im Nanobereich, die in der Natur bei Geckos vorkommen. Derartige Strukturen bilden eine adhäsive Verbindung mit einem Objekt aufgrund von Van-der-Waals-Kräften. Nachteilig an derartigen Strukturen ist, dass zum Ablösen eines Objekts von der Haltestruktur eine hohe Ablösekraft überwunden werden muss. In einer industriellen Fertigung oder Montage kann hierdurch das zu haltende Objekt beschädigt werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Haltestruktur sowie einer Haltevorrichtung zum Halten von Objekten zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ansteuerbare Haltestruktur sowie eine Haltevorrichtung mit einer derartigen Haltestruktur zum Halten von Objekten zu schaffen, die auf einfache sowie kostengünstige und platzsparende Art und Weise ein gesteuertes Halten sowie gesteuertes Lösen von Objekten unterschiedlicher Geometrien ermöglichen, wobei eine potenzielle Beschädigung der gehaltenen Objekte reduziert ist.
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Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die voranstehende Aufgabe gelöst durch eine Haltestruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Haltevorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Haltestruktur beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Haltestruktur zum Halten mindestens eines Objekts gelöst. Die Haltestruktur weist einen Grundkörper und ein auf einer Grundkörperseite des Grundkörpers angeordnetes Haftmittel auf, wobei das Haftmittel eine, insbesondere als Mikro- oder Nanostruktur ausgebildete, Oberfläche mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Haftelementen aufweist. Die Haftelemente bilden in einem ersten Zustand eine Haftoberfläche, wobei die Haftoberfläche eine Vielzahl oberflächiger Vorsprünge, insbesondere Mikro- oder Nanovorsprünge, aufweist, die zum Ausbilden einer adhäsiven Haltekraft zum Halten einer Objektoberfläche des Objekts ausgebildet sind. In einem zweiten Zustand bilden die Haftelemente eine Freigabeoberfläche, die zum Freigeben der Objektoberfläche vom Haftmittel ausgebildet ist. Erfindungsgemäß sind die Haftelemente zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand schaltbar. Die Löseoberfläche weist vorzugsweise eine geringere Anzahl und/oder schwächer ausgebildete Mikro- oder Nanovorsprünge als die Haftoberfläche auf.
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Eine erfindungsgemäße Haltestruktur ist eine Struktur, die zum Halten und wieder Freigeben von Objekten ausgebildet ist. Hierfür weist die Haltestruktur eine Vielzahl von Haftelementen auf, die in einem ersten Zustand eine Haftoberfläche zum Halten des Objekts und in einem zweiten Zustand eine Freigabeoberfläche zum Freigeben des Objekts bilden. Das Halten des Objekts erfolgt über Adhäsion, indem die Objektoberfläche, insbesondere über Van-der-Waals-Kräfte, an einer Vielzahl der Haftelemente gehalten wird. Das Freigeben erfolgt z. B. über eine Reduzierung der Anzahl der Haftelemente, die über diese Van-der-Waals-Kräfte die Objektoberfläche halten.
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Die Haltestruktur ist derart ansteuerbar ausgebildet, dass die Haftelemente zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand schaltbar sind. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Haftelemente naturgemäß im ersten Zustand angeordnet sind und durch ein äußeres Eingreifen in den zweiten Zustand bringbar sind. Bei Wegfall des äußeren Eingreifens nehmen die Haftelemente vorzugsweise wieder den ersten Zustand ein. Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass die Haftelemente naturgemäß im zweiten Zustand angeordnet sind und durch ein äußeres Eingreifen in den ersten Zustand bringbar sind, wobei die Haftelemente bei Wegfall des äußeren Eingreifens vorzugsweise wieder den zweiten Zustand einnehmen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass zum Erreichen des ersten Zustands und des zweiten Zustands jeweils ein Eingreifen von außen erforderlich ist und die Haftelemente ohne ein äußeres Eingreifen in einem Neutralzustand sind. Dabei entspricht der Neutralzustand beispielsweise dem zuletzt geschalteten ersten Zustand bzw. zweiten Zustand oder einem Mischzustand, in dem geringere Adhäsionskräfte als im ersten Zustand und höhere Adhäsionskräfte als im zweiten Zustand ausbildbar sind.
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Die Haltestruktur ist beispielsweise derart ausgebildet, dass das Verstellen zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand durch einen direkten Eingriff in die Mikro- bzw. Nanostruktur derart erfolgen kann, dass eine mit der Haltestruktur erzeugbare Adhäsionskraft beeinflusst wird. Dies erfolgt beispielsweise analog zum bekannten Verfahren zum Verstellen von Absorptionswellenlängen von Oberflächen, die lichtwellenabsorbierende Nanostrukturen aufweisen, über ein äußeres Eingreifen, z. B. durch ein geometrisches (Um-)Orientieren der Haftelemente oder temporäres Anordnen von Einflussfaktoren im Bereich der Haltestruktur, die mit den Haftelementen interagieren und somit eine Ausbildung von Van-der-Waals-Kräften zwischen der Haftelemente und der Objektoberfläche beeinflussen.
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Eine derartige Haltestruktur hat den Vorteil, dass auf einfache sowie kostengünstige Weise ein Objekt an der Haltestruktur temporär fixierbar und bei Bedarf wieder von dieser lösbar ist. Das Risiko einer Beschädigung der Objektoberfläche wird reduziert. Ferner kann die Haltestruktur besonders kleine Abmessungen aufweisen. Mittels der erfindungsgemäßen Haltestruktur ist eine Vielzahl unterschiedlich geformter Objekte mit nahezu beliebig beschaffenen Objektoberflächen haltbar.
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Es ist bevorzugt, dass die Haftelemente eine Mikro- oder Nanostruktur, insbesondere eine Nanostruktur, bilden und die Haftoberfläche sowie die Freigabeoberfläche als Mikro- oder Nanostruktur, insbesondere als Nanostruktur, ausgebildet sind. Derartige Strukturen sind zur Ausbildung von Adhäsionskräften, wie z. B. Van-der-Waals-Kräften, besonders geeignet und mit einfachen Mitteln zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand schaltbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Haltestruktur vorgesehen sein, dass die Haftelemente und/oder der Grundkörper ein Polymer aufweisen. Vorzugsweise weisen die Haftelemente und der Grundkörper ein Polymer auf oder sind aus einem Polymer gebildet. Polymere sind kostengünstig erzeugbar und sind zur Herstellung von derartigen Mikro- oder Nanostrukturen gut geeignet.
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Vorzugsweise ist das Haftmittel derart ausgebildet, dass ein Schalten der Halteelemente zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand durch eine Veränderung einer Temperatur der Halteelemente bewirkbar ist. Dies kann beispielsweise durch Beaufschlagen des Haftmittels mit heißer oder kalter Luft erfolgen. Alternativ kann beispielsweise der Grundkörper eine Heizung und/oder Kühlung aufweisen. Die Haftmittel können dabei beispielsweise bi-metallartig ausgebildet sein, so dass die Haftmittel bei einer bestimmten Hafttemperatur bzw. einem Hafttemperaturbereich im ersten Zustand angeordnet sind und eine bestimmte Ausrichtung aufweisen, z. B. als geordnete Dipole, die eine gemeinsame Haftoberfläche bilden. Durch Verändern der Umgebungstemperatur der Haftmittel verändern diese aufgrund ihres bi-metallartigen Aufbaus ihre Ausrichtung, so dass die Dipole keine gemeinsame Haftoberfläche bilden. Letzteres entspricht dem zweiten Zustand. Alternativ oder zusätzlich können die Haftelemente ausgebildet sein, dass eine Veränderung der Temperatur eine Flexibilität der Haftelemente entsprechend beeinflusst. Eine Veränderung der Temperatur ist kostengünstig und mit einfachen Mitteln bewirkbar.
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Weiter bevorzugt ist das Haftmittel derart ausgebildet, dass ein Schalten der Halteelemente zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand durch Verändern eines Umgebungsfluids des Haftmittels bewirkbar ist. Die Haftmittel weisen dabei beispielsweise Zwischenräume zu benachbarten Haftmitteln auf, in die ein Fluid, wie z. B. ein Gas, temporär anordenbar ist. Das Fluid ist beispielsweise in einem Fluidspeicher bereitstellbar. Mittels des Fluids sind Eigenschaften des Haftmittels beeinflussbar, z. B. eine Ausrichtung der Haftelemente oder eine potenzielle Ausbildung von Adhäsionskräften zur Objektoberfläche. Eine Veränderung des Umgebungsfluids ist schnell sowie mit einfachen Mitteln bewirkbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Haftmittel derart ausgebildet, dass ein Schalten der Halteelemente zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand durch Verändern eines Umgebungsdrucks des Haftmittels bewirkbar ist. Hierfür kann beispielsweise ein Druckspeicher und/oder Kompressor vorgesehen sein. Eine Veränderung des Umgebungsdrucks ist schnell sowie kostengünstig und mit einfachen Mitteln bewirkbar.
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Besonders bevorzugt ist das Haftmittel derart ausgebildet, dass ein Schalten der Halteelemente zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand durch Anlegen einer elektrischen Spannung am Haftmittel und/oder in einer dem Haftmittel benachbarten Umgebung bewirkbar ist. Mittels einer elektrischen Spannung ist beispielsweise eine Orientierung der Haftmittel veränderbar. Alternativ oder zusätzlich ist mittels einer elektrischen Spannung ein Potenzial der Ausbildung von Adhäsionskräften zwischen den Haftelementen und der Objektoberfläche, z. B. aufgrund elektrostatischer Effekte, beeinflussbar. Ein Anlegen einer elektrischen Spannung ist schnell sowie kostengünstig und mit einfachen Mitteln bewirkbar.
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Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Haftmittel derart ausgebildet ist, dass ein Schalten der Halteelemente zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand durch Bestrahlen des Haftmittels mit elektromagnetischen Wellen bewirkbar ist. Beispielsweise können hierfür Lichtwellen, insbesondere UV-Wellen, verwendet werden. Hierfür sind die Haftelemente derart ausgebildet, dass diese durch Bestrahen mit elektromagnetischen Wellen beeinflussbar sind. Vorzugsweise sind die Haftelemente derart beeinflussbar, dass diese durch ein solches Bestrahlen ihre Orientierung verändern und somit in den ersten Zustand und/oder den zweiten Zustand bringbar sind. Alternativ oder zusätzlich können die Haftelemente ausgebildet sein, dass ein Bestrahlen eine Flexibilität der Haftelemente beeinflusst. Ein Bestrahlen mit elektromagnetischen Wellen ist schnell sowie kostengünstig und mit einfachen Mitteln bewirkbar.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper elastisch ausgebildet. Ein elastischer Grundkörper hat den Vorteil, dass dieser sich einer Geometrie eines zu haltenden Objekts besonders gut anpassen kann. Ferner wird hierdurch das Risiko einer Beschädigung der Objektoberfläche verringert.
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Es ist bei einer Haltestruktur bevorzugt, dass der Grundkörper und das Haftmittel einteilig ausgebildet sind. Eine derartige Haltestruktur hat den Vorteil, dass das Risiko eines Ablösens des Haftmittels vom Grundkörper reduziert wird. Eine Verschleißbeständigkeit der Haltestruktur wird somit erhöht.
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Weiter bevorzugt sind bei einer Haltestruktur der Grundkörper und/oder das Haftmittel plattenförmig oder im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet. Alternativ können der Grundkörper und/oder das Haftmittel auch andere Formen annehmen und z. B. kugel- oder zylinderförmig ausgebildet sein. Ein plattenförmiger Grundkörper bzw. ein plattenförmiges Haftmittel haben den Vorteil, dass diese eine relativ große Haltefläche zum Halten von plattenförmigen Objekten bereitstellen.
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Es kann bei einer Haltestruktur bevorzugt sein, dass die Haftelemente lamellenförmig angeordnet sind. Dabei sind die Haftelemente vorzugsweise in geraden oder wellenförmigen Reihen nebeneinander angeordnet. Eine lamellenförmige Anordnung hat den Vorteil, dass ein Verhältnis von erzeugbarer Adhäsionskraft zur Anzahl von Halteelementen verbessert ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Haltevorrichtung zum Halten mindestens eines Objekts, aufweisend einen Haltearm und eine an dem Haltearm angeordnete Objektaufnahme, wobei der Haltearm zum Bewegen der Objektaufnahme ausgebildet ist. Die Objektaufnahme weist mindestens eine erfindungsgemäße Haltestruktur auf. Vorzugsweise ist die Haltevorrichtung als Roboter, insbesondere als Montageroboter, ausgebildet und weist mehrere über Gelenke miteinander verbundene Haltearme auf.
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Vorzugsweise weist die Haltevorrichtung eine Betätigungseinheit auf, die zum Verstellen der Halteelemente zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand ausgebildet ist. Somit sind Objekte mittels der Haltevorrichtung haltbar und wieder freigebbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Betätigungseinheit eine Temperaturveränderungsvorrichtung, wie z. B. eine Heizung und/oder eine Kühlung, zum Verändern einer Temperatur des Haftmittels und/oder einen Fluidspeicher zum Bereitstellen eines Fluids und/oder eine Druckveränderungsvorrichtung zum Verändern eines Umgebungsdrucks am Haftmittel und/oder eine Spannungsabgabevorrichtung zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung an dem Haftmittel und/oder eine Strahlungsvorrichtung zum Emittieren elektromagnetischer Wellen, insbesondere von Lichtwellen, auf das Haftmittel auf. Eine derartige Betätigungseinheit ist mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig herstellbar und ermöglicht ein schnelles sowie zuverlässiges Verstellen der Haftelemente zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand.
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Bei der beschriebenen Haltevorrichtung ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Haltestruktur gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
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Eine erfindungsgemäße Haltevorrichtung zum Halten von Objekten wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 in einer Seitenansicht eine erfindungsgemäße Haltestruktur in einem ersten Zustand;
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2 in einer Seitenansicht eine Haltestruktur gemäß 1 in einem zweiten Zustand;
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3 in einer Seitenansicht eine Haltestruktur gemäß 1 in einem alternativen zweiten Zustand; und
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4 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in einer Seitenansicht schematisch eine erfindungsgemäße Haltestruktur 1 in einem ersten Zustand dargestellt. Die Haltestruktur 1 weist einen Grundkörper 2 mit einer Grundkörperseite 3 sowie ein an der Grundkörperseite 3 angeordnetes Haftmittel 4 auf. Das Haftmittel 4 weist eine Mehrzahl von Haftelementen 5 auf, die zu mehreren sich parallel zueinander erstreckenden Haftketten 15 angeordnet sind. In diesem ersten Zustand bilden Enden der Haftketten 15 eine gemeinsame Haftoberfläche 6. Der Haltestruktur 1 benachbart ist ein Objekt O mit einer Objektoberfläche S angeordnet. Die Haftelemente 5 sind in diesem ersten Zustand derart angeordnet, intermolekulare Bindungen I zur Objektoberfläche S auszubilden.
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Die in 1 gezeigte Haltestruktur 1 ist in 2 in einem zweiten Zustand abgebildet. In diesem zweiten Zustand bilden die Haftelemente 5 eine gemeinsame Freigabeoberfläche 7. Die Haftelemente 5 sind in diesem zweiten Zustand wie im ersten Zustand angeordnet, wobei zwischen den benachbarten Strängen von Haftelementen Elektronen 16 angeordnet sind. Durch elektrostatische Kräfte der Elektronen ist die Freigabeoberfläche 7 ausgebildet, wesentlich weniger intermolekulare Bindungen I zur Objektoberfläche S als die Haftoberfläche 6 im ersten Zustand auszubilden. Das Objekt O ist in diesem zweiten Zustand somit wesentlich leichter von der Haltestruktur 1 ablösbar.
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Die in 1 gezeigte Haltestruktur 1 ist in 3 in einem alternativen zweiten Zustand abgebildet. In diesem alternativen zweiten Zustand sind die Haftketten 15 derart ausgelenkt, dass die Haftelemente 5 der Haftketten 15 eine gemeinsame Freigabeoberfläche 7 bilden. Die Haftelemente 5 sind in diesem alternativen zweiten Zustand derart angeordnet, wesentlich weniger intermolekulare Bindungen I zur Objektoberfläche S als im ersten Zustand auszubilden.
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In 4 ist in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 8 abgebildet. Die Haltevorrichtung 8 weist eine Mehrzahl von Haltearmen 9 auf, die hintereinander angeordnet sind, wobei jeweils zwei benachbarte Haltearme 9 durch ein Gelenk 13 miteinander verbunden sind. Ein erster Haltearm 9 ist über ein Gelenk 13 auf einem Sockel 14 angeordnet. An einem Ende eines letzten Haltearms 9 ist eine Objektaufnahme 10 zum Aufnehmen eines Objekts O angeordnet. Die Objektaufnahme 10 weist eine erfindungsgemäße Haltestruktur 1 mit einem Grundkörper 2 und einem daran angeordneten Haftmittel 4 sowie eine als Temperaturveränderungsvorrichtung 12 ausgebildete Betätigungseinheit 11 auf. Mittels der Temperaturveränderungsvorrichtung 12 ist eine Temperatur im Bereich der Haltestruktur 1 derart veränderbar, dass die Haftelemente 5 zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand verstellbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Haltestruktur
- 2
- Grundkörper
- 3
- Grundkörperseite
- 4
- Haftmittel
- 5
- Haftelement
- 6
- Haftoberfläche
- 7
- Freigabeoberfläche
- 8
- Haltevorrichtung
- 9
- Haltearm
- 10
- Objektaufnahme
- 11
- Betätigungseinheit
- 12
- Temperaturveränderungsvorrichtung
- 13
- Gelenk
- 14
- Sockel
- 15
- Haftkette
- 16
- Elektron
- I
- intermolekulare Bindung
- O
- Objekt
- S
- Objektoberfläche
