DE102016201540A1

DE102016201540A1 - Robotischer Greifer und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102016201540A1
Application number: DE102016201540.0A
Authority: DE
Inventors: Hannes Höppner; Jörn Vogel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-02-03
Also published as: DE102016201540B4

Abstract

Robotischer Greifer (10) mit mindestens zwei Fingern (12, 14, 16), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Finger (12, 14, 16) als Kontaktfläche mit einem zu greifenden Gegenstand mindestens einen verformbaren Körper (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) aufweist, wobei ein Material dieses verformbaren Körpers (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) derart beweglich ist, dass die Form der Greiffläche an einen zu greifenden Gegenstand (18) anpassbar ist, wobei jeder Körper (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) und die durch diesen gebildete Greiffläche durch eine Aktivierungsvorrichtung verhärtbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen robotischen Greifer sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.
Sicheres Greifen von Objekten mit robotischen Systemen stellt eine große Herausforderung dar. Zumeist werden speziell an das zu greifende Objekt angepasste Greifer benötigt. Um ein sicheres Greifen zu ermöglichen, muss zum einen die Objektgeometrie bekannt sein. Zum anderen sind aufwendige Berechnungen notwendig, um eine optimale Greifkonfiguration zu ermitteln (sogenannte Greifplanung). Dies liegt an der geringen Flexibilität von robotischen Greifern und vor allem an der fehlenden Nachgiebigkeit der Kontaktflächen des Greifers. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, die Kontaktfläche des Greifers mit einem weichen Material zu versehen. Als Kontaktfläche wird hierbei diejenige Fläche eines Greifers verstanden, die mit dem zu greifenden Objekt in Kontakt steht. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass dieses weiche Material bei Erhöhung der Griffkraft verdrängt wird und sich daher die Kontaktfläche verändert. Dies kann dazu führen, dass das Objekt relativ zum Greifer verrutscht oder sogar fallengelassen wird.
Aus dem Stand der Technik sind Greifer mit zwei oder mehr Fingern bekannt, die über eine gummierte Kontaktfläche verfügen. Die Finger dieser Greifer können positions- oder kraftgeregelt sein. Diese Greifer eignen sich vor allem dazu, Objekte mit einfachen Geometrien im sogenannten Pinzettengriff, bei dem jeder Finger nur einen einzelnen Kontaktpunkt zum Objekt hat, zu greifen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen robotischen Greifer bereitzustellen, der ein sichereres Greifen von Objekten mit verschiedenen Geometrien ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9.
Der erfindungsgemäße robotische Greifer weist mindestens zwei Finger auf.
Erfindungsgemäß weist mindestens ein Finger als Kontaktfläche mit einem zu greifenden Gegenstand mindestens einen verformbaren Körper auf. Das Material dieses verformbaren Körpers ist derart beweglich, dass die Form der Kontaktfläche an einen zu greifenden Gegenstand anpassbar ist. In diesem Zustand ist der Körper somit weich oder flexibel ausgebildet und in seiner Form veränderlich.
Erfindungsgemäß ist jeder Körper und die durch diesen gebildete Greiffläche durch eine Aktivierungsvorrichtung verhärtbar. In diesem Zustand ist der Körper und die durch diesen gebildete Greiffläche somit nicht mehr flexibel, sondern steif ausgebildet. Die Aktivierung kann auch invertiert arbeiten, so dass im inaktiven Zustand der Aktivierungsvorrichtung die Greiffläche hart ist und erst durch eine Aktivierung der Aktivierungsvorrichtung verformbar wird. In diesem Fall erfolgt somit ein Verhärten der Greiffläche durch ein Deaktivieren der Aktivierungsvorrichtung.
Mit dem erfindungsgemäßen robotischen Greifer kann ein Gegenstand, der auch eine komplexe geometrische Form aufweisen kann, zunächst mit einer geringen Greifkraft gegriffen werden, so dass sich bei diesem Greifvorgang die Form der mindestens einen Kontaktfläche an die äußere Form des zu greifenden Gegenstands anpasst. Hiernach wird der verformbare Körper und die durch ihn gebildete Greiffläche durch ein Aktivieren der Aktivierungsvorrichtung verhärtet. Die Kontaktfläche ist somit im ersten Zustand nachgiebig und nach dem Verhärten nicht mehr nachgiebig. Durch die hohe Nachgiebigkeit der Kontaktfläche im ersten Zustand wird eine große Kontaktfläche mit dem zu greifenden Objekt hergestellt. Diese Kontaktfläche bleibt nach dem Verhärten des verformbaren Körpers und der Kontaktfläche bei Aufbringung einer größeren Greifkraft erhalten, so dass das Objekt sicher gegriffen werden kann.
In bevorzugter Ausführungsform ist der verformbare Körper als eine mit einem Granulat gefüllte Granulatkammer ausgebildet. In dieser Ausführungsform weist mindestens ein Finger und insbesondere jeder Finger als Kontaktfläche mit einem zu greifenden Gegenstand mindestens eine mit einem Granulat gefüllte Granulatkammer auf. Das Granulat ist in diesen Granulatkammern derart frei beweglich, dass die Form der Kontaktfläche an einen zu greifenden Gegenstand anpassbar ist. In diesem Zustand sind die Granulatkammern somit weich oder flexibel ausgebildet und in ihrer Form veränderlich.
Jede Granulatkammer ist mit einer Vakuumiervorrichtung verbindbar und somit vakuumierbar. Hierdurch können die durch die Granulatkammern gebildeten Kontaktflächen verhärtet werden, da sich das Granulat in einer vakuumierten Granulatkammer nicht mehr bewegen kann. In diesem Zustand ist die Granulatkammer somit nicht mehr flexibel sondern steif ausgebildet. Die Granulatkammer weist somit eine luftdichte Hülle auf, innerhalb der ein Hohlraum gebildet ist, in dem sich das Granulat befindet. Die Vakuumiervorrichtung kann beispielsweise eine Vakuumpumpe sein, die über Leitungen mit dem Inneren der Granulatkammer verbunden ist.
Mit einem solchen robotischen Greifer kann ein Gegenstand, der auch eine komplexe geomterische Form aufweisen kann, zunächst mit einer geringen Greifkraft gegriffen werden, wobei sich in diesem Zustand noch Luft in den Granulatkammern befindet. Bei diesem Greifvorgang passt sich die Form der Kontaktflächen an den mindestens zwei Fingern des robotischen Greifers an die äußere Form des zu greifenden Gegenstandes an. Hiernach werden die Granulatkammern durch die Vakuumiervorrichtung vakuumiert, so dass sich die Kontaktflächen verhärten. Die Kontaktflächen sind somit im ersten Zustand nachgiebig und nach dem Vakuumieren nicht mehr nachgiebig. Durch die hohe Nachgiebigkeit der Kontaktflächen im ersten Zustand wird eine große Kontaktfläche mit dem zu greifenden Objekt hergestellt. Diese Kontaktfläche bleibt nach dem Vakuumieren und Verhärten der Kontaktflächen auch bei Aufbringung einer größeren Griffkraft erhalten, so dass das Objekt sicher gegriffen werden kann.
In dieser Ausführungsform bildet die Vakuumiervorrichtung die Aktivierungsvorrichtung, durch die das Verhärten des verformbaren Körpers hervorgerufen wird.
In alternativer Ausführungsform kann der Körper ein elektroaktives Polymer aufweisen. Dieses wird durch die Aktivierungsvorrichtung derart angesteuert, dass sich der Körper und die durch diesen gebildete Greiffläche verhärtet.
Es ist bevorzugt, dass die Aktivierungsvorrichtung gezielt und insbesondere durch ein elektrisches Signal derart angesteuert werden kann, dass ein Verhärten des Körpers und der durch diesen gebildeten Greiffläche erfolgt.
Es ist bevorzugt, dass die mindestens zwei Finger jeweils mindestens zwei und insbesondere mindestens drei Fingerglieder aufweisen.
Jedes Fingerglied kann jeweils eine eigene Granulatkammer aufweisen, die jeweils mit einer Vakuumiervorrichtung verbunden oder verbindbar ist. Somit kann in dieser Ausführungsform jede Granulatkammer unabhängig von den anderen Granulatkammern vakuumiert werden.
Alternativ ist es möglich, dass sich die durch die Granulatkammer gebildete Kontaktfläche über mehrere Fingerglieder und insbesondere über den gesamten Finger oder zumindest einen Großteil des Fingers erstreckt. Eine oder mehrere weitere Granulatkammern können auch in der Handfläche angebracht sein oder sich von der Handfläche in die Finger erstrecken.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Kontaktflächen Sensoren, insbesondere eine Sensorhaut, zur Detektion der Größe und/oder Form der effektiven Kontaktfläche und/oder der Kontaktkräfte auf. Als effektive Kontaktfläche wird hierbei derjenige Teil der Kontaktflächen verstanden, der tatsächlich Kontakt mit dem zu greifenden Gegenstand aufweist. Auf Basis dieser Sensorsignale kann die Greifkraft der einzelnen Fingerglieder geregelt werden. Die Greifkraft kann auch über zusätzliche Kraftoder Drehmomentsensoren erfasst oder unter Verwendung des Motorstroms ermittelt werden.
In der letztgenannten Ausführungsform ist es möglich, dass durch ein Vakuumieren der Granulatkammer, die sich über mehrere Fingerglieder erstreckt, ein Verhärten mindestens eines Gelenks zwischen zwei Fingergliedern erfolgt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines robotischen Greifers, wie er bisher beschrieben wurde. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Zunächst werden die Finger des robotischen Greifers um den zu greifenden Gegenstand platziert. Es ist bevorzugt, dass hierbei eine erste Greifkraft appliziert wird, die geringer als die im zweiten Schritt folgende zweite Greifkraft ist. Bei diesem Greifen ist das Material des verformbaren Körpers noch derart beweglich, dass die Form der Kontaktfläche sich an den zu greifenden Gegenstand anpasst. Anschließend erfolgt ein Verhärten des verformbaren Körpers und der durch diesen gebildeten Greiffläche durch ein insbesondere elektrisches Aktivieren einer Aktivierungsvorichtung. Hiernach kann der Gegenstand mit einer zweiten Greifkraft gegriffen werden, die höher als die erste Greifkraft ist, so dass ein sicherer Griff des zu greifenden Gegenstands erzielt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der mindestens eine verformbare Körper als eine mit einem Granulat gefüllte Granulatkammer ausgebildet. Auch hier werden die Finger des robotischen Greifers um den zu greifenden Gegenstand platziert, wobei hierbei eine erste geringere Greifkraft appliziert wird. Bei diesem Greifen sind die Granulatkammern noch nicht vakuumiert, so dass das Granulat in diesen Granulatkammern derart frei beweglich ist, dass die Form der Kontaktflächen an einen zu greifenden Gegenstand angepasst wird.
Anschließend werden die Granulatkammern vakuumiert, so dass ein Verhärten der durch diese gebildeten Kontaktflächen erfolgt. Hiernach kann der Gegenstand mit einer zweiten Greifkraft gegriffen werden, die höher als die erste Greifkraft ist, so dass ein sicherer Griff des zu greifenden Gegenstandes erzielt werden kann.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert:
Es zeigen:
Fign. 1a und 1b eine erste Ausführungsform eines Fingers des erfindungsgemäßen robotischen Greifers,
2a und 2b eine zweite Ausführungsform eines Fingers des erfindungsgemäßen robotischen Greifers,
3a ein robotischer Greifer gemäß dem Stand der Technik,
3b eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen robotischen Greifers,
4a ein robotischer Greifer gemäß dem Stand der Technik und
4b eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen robotischen Greifers.
In 1a ist ein Finger 12 einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen robotischen Greifers dargestellt. Dieser Finger weist drei Fingerglieder 20a, 20b, 20c) auf. In 1a ist eine Frontansicht des Fingers 12 dargestellt, während in 1b der Finger 12 in einer Seitenansicht dargestellt ist. An jedem Fingerglied 20a, 20b, 20c weist der Finger 12 eine Granulatkammer 12a, 12b, 12c auf, durch die Kontaktflächen gebildet werden, an denen ein zu greifender Gegenstand gegriffen wird. Diese sind über eine Vakuumleitung 13 mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden. In 1b sind zusätzlich Gelenke 26a, 26b, 26c sichtbar, über die die drei Fingerglieder 20a, 20b, 20c miteinander verbunden sind. Durch ein Verschwenken der einzelnen Fingerglieder um die Gelenke herum ist es möglich, die Finger zu beugen und zu strecken, so dass ein Greifen eines nicht dargestellten Gegenstandes erfolgen kann. Jede Fingerphalanx 20a, 20b, 20c kann dabei mit jeweils einem Motor über einen Seilzug verbunden sein. Hierdurch ist es möglich, die Motoren in der Handfläche, dem Unterarm der Hand oder an einer anderen Stelle des Roboterarms anzuordnen, so dass die Roboterhand kleiner ausgebildet sein kann. Auch kann eine Kopplung der Bewegung der Fingerglieder vorgesehen sein, wodurch sich eine unteraktuierte Lösung ergibt. Beispielsweise ist es möglich, lediglich zwei Motoren für die Ansteuerung von drei Phalanxen oder Gelenken vorzusehen. Es ist weiterhin möglich, dass die Motoren zum Antrieb der Fingerglieder innerhalb der Finger angeordnet sind, beispielsweise in den Gelenken.
In den 2a und 2b ist eine zweite Ausführungsform eines Fingers 12 des erfindungsgemäßen Greifers dargestellt. Dieser weist ebenfalls drei Fingerglieder 20a, 20b, 20c auf. Allerdings weist der Finger 12 lediglich eine einzige Kontaktfläche 12a auf, die sich über seine gesamte Länge erstreckt. Auch diese ist über eine Vakuumleitung 13 mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden. Durch Vakuumieren der durch die Granulatkammer 12a gebildeten Kontaktfläche wird diese verhärtet, was auch zu einem Verhärten der Gelenke zwischen den einzelnen Fingergliedern 20a, 20b, 20c führt.
In einer Ausführungsform, in der sich die Kontaktfläche über mehrere Fingerglieder erstreckt, kann ein Teil der beim Greifen in den Gelenken entstehenden Drehmomente von der verhärteten Greiffläche aufgenommen werden, so dass dieses Drehmoment nicht mehr durch den Motor in diesem Gelenk abgestützt werden muss. Dieser Motor kann daher kleiner ausgebildet werden. Dies gilt jedoch nicht für den Motor am proximalen Gelenk, welcher die komplette Greifkraft aufbringen muss.
In 3a ist ein robotischer Greifer gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Er weist zwei Finger 12, 14 auf, durch die ein Gegenstand 18 gegriffen wird. Jeder Finger weist drei Fingerglieder 20a, 20b, 20c, 22a, 22b, 22c auf. Bei den Greifkräften, die gemäß 3a auftreten, kann das Objekt 18 sehr leicht aus den Fingern 12, 14 rutschen, wenn die Kontaktflächen der Finger zu steif ausgeführt sind. Eine zu weiche Kontaktfläche reduziert jedoch die Positionsstabilität des Griffs.
In 3b ist somit eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers 10 dargestellt. Auch dieser weist zwei Finger 12, 14 mit jeweils drei Fingergliedern 20a bis 20c und 22a bis 22c auf. Jedes Fingerglied weist eine durch eine Granulatkammer 12a bis 12c, 14a bis 14c gebildete Kontaktfläche auf. Diese nachgiebigen Kontaktflächen schmiegen sich bei Schließen des Greifers an die Oberfläche des Objekts 18 an und werden anschließend verhärtet. Somit kann das Objekt 18 sicher gegriffen werden. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem in 3a dargestellten Stand der Technik ist, dass keine Kräfte in Richtung der Ablagefläche 21 ausgeübt werden.
In 4a ist ein weiterer Greifer 10 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Dieser greift den zu greifenden Gegenstand 18 an drei Kontaktpunkten. Um einen stabilen Griff zu ermöglichen, müssen die Fingerkräfte sehr genau geregelt werden. Eine leichte Ungenauigkeit in der erwarteten Objektposition kann dazu führen, dass die aufwendig geplanten Fingerkräfte nicht zu einem stabilen Griff führen und das Objekt 18 aus dem Greifer 10 rutscht.
Ist der Greifer 10 dagegen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet (4b) kann mittels der nachgiebigen Kontaktflächen eine deutlich größere effektive Kontaktfläche zum Objekt 18 erreicht werden. Eventuelle Ungenauigkeiten in der Objektlokalisierung können somit besser ausgeglichen werden. Das Greifen von Objekten 18 kann somit deutlich einfacher und effizienter durchgeführt werden.

Claims

Robotischer Greifer (10) mit mindestens zwei Fingern (12, 14, 16), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Finger (12, 14, 16) als Kontaktfläche mit einem zu greifenden Gegenstand mindestens einen verformbaren Körper (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) aufweist, wobei ein Material dieses verformbaren Körpers (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) derart beweglich ist, dass die Form der Greiffläche an einen zu greifenden Gegenstand (18) anpassbar ist, wobei jeder Körper (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) und die durch diesen gebildete Greiffläche durch eine Aktivierungsvorrichtung verhärtbar ist.
Robotischer Greifer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) eine mit einem Granulat gefüllte Granulatkammer ist, wobei das Granulat in diesen Granulatkammern (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) frei beweglich ist, so dass die Form der Greiffläche an einen zu greifenden Gegenstand (18) anpassbar ist, wobei jede Granulatkammer (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) mit einer Vakuumiervorrichtung verbunden oder verbindbar und somit vakuumierbar ist, so dass die durch die Granulatkammern (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) gebildeten Kontaktflächen verhärtbar sind.
Robotischer Greifer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) ein elektroaktives Polymer aufweist.
Robotischer Greifer (10) nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Finger jeweils mindestens zwei, insbesondere mindestens drei Glieder aufweisen.
Robotischer Greifer (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Fingerglied (20a bis 20c, 22a bis 22c, 24a bis 24c) jeweils eine eigene Granulatkammer (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) aufweist, die jeweils mit einer Vakuumiervorrichtung verbunden oder verbindbar und somit unabhängig von den anderen Granulatkammern (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) vakuumierbar ist.
Robotischer Greifer (10) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Granulatkammer (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) gebildete Kontaktfläche sich über mehrere Fingerglieder (20a bis 20c, 22a bis 22c, 24a bis 24c) und insbesondere über den gesamten Finger (12, 14, 16) erstreckt.
Robotischer Greifer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen Sensoren, insbesondere eine Sensorhaut, zur Detektion der Größe und/oder Form der effektiven Kontaktfläche und/oder der Kontaktkräfte aufweisen.
Robotischer Greifer (10) nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Vakuumieren der Granulatkammer (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) ein Verhärten mindestens eines Gelenks (26a bis 26c) zwischen den Fingergliedern (20a bis 20c, 22a bis 22c, 24a bis 24c) erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines robotischen Greifers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten: Platzieren der Finger (12, 14, 16) um den zu greifenden Gegenstand (18), wobei hierbei das Material des verformbaren Körpers (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) derart fbeweglich ist, dass die Form der Greiffläche sich an einen zu greifenden Gegenstand (18) anpasst, Verhärten des Körpers (12a bis 12c, 14a bis 14c, 16a bis 16c) und der durch diesen gebildeten Greiffläche durch eine Aktivierungsvorrichtung.