DE102016206980A1

DE102016206980A1 - Verfahren zur Handhabung eines Körpers und Handhabungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016206980A1
Application number: DE102016206980.2A
Authority: DE
Inventors: Roland Behrens; Veit Müller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: DE102016206980B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Handhabung eines Körpers (12, 13), bei denen der Körper mittels einer Aufnahmevorrichtung (11) an einer ersten Position aufgenommen und zu einer zweiten Position transportiert wird. Um die Art und Weise der Vereinzelung und des Ergreifens eines Körpers mittels der Aufnahmevorrichtung (11) zu optimieren, ist vorgesehen, dass zuerst mittels eines berührungsfreien Objekterkennungssystems (14) eine Repräsentation des Körpers erfasst wird, dass darauf der Körper (12, 13) durch die Aufnahmevorrichtung aufgenommen wird und dass mittels taktiler Sensoren (11c, 11d, 25, 26, 27) der Aufnahmevorrichtung (11) Merkmale des Körpers in der Aufnahmevorrichtung erfasst werden, dass die erfassten Merkmale mit der Repräsentation des Körpers verknüpft werden und dass das Aufnehmen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung validiert wird.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Elektrotechnik und ist mit besonderem Vorteil bei der Bearbeitung und Verarbeitung sowie beim Sortieren und Handhaben von Teilen anwendbar, die wenigstens teilweise automatisiert stattfindet. Die Erfindung kann jedoch auch bei verschiedenen Arten von logistischen Anwendungen zum Einsatz kommen.
Konkreter bezieht sich die Erfindung auf die Handhabung von Körpern, die an einer ersten Position aufgenommen und zu einer zweiten Position transportiert werden. Dieser Vorgang kann auch Teil eines komplexeren Prozesses sein und ganz oder teilweise automatisiert werden.
Solche Handhabungsverfahren sind grundsätzlich bekannt.
Aus der DE 103 13 890 A1 ist bekannt, Körper mittels eines Greifers zu fassen und festzuhalten. Die benutzten Greifer weisen taktile Sensormatrizen zur Überwachung des Greifzustandes auf, wobei die Sensoren eine Rückmeldung über den Druck geben können, mit dem der Gegenstand festgehalten wird. Eine Haltekraft kann dann unter Verwendung der genannten Feedbackgröße geregelt werden.
Aus der DE 103 19 253 A1 ist ein Konzept bekannt, bei dem mittels optischer Erfassung durch Kameras ein zu greifendes Objekt registriert und danach ergriffen wird. Das dort beschriebene Verfahren bringt einige Unsicherheiten in der optischen Erkennung, speziell in der Lageerkennung, mit sich. Auch ist es, wenn ein optisch erfasster Körper einmal ergriffen wird, unmöglich, mittels des beschriebenen Systems festzustellen, in welcher Weise der Körper ergriffen wurde und in welcher Position er sich relativ zu der Greifvorrichtung befindet.
Auch aus der DD 254 160 A1 ist ein Konzept zum Ergreifen von Körpern unter Zuhilfenahme von taktilen Sensoren beschrieben. Die Greifvorgänge müssen sich dabei auf Objekte beschränken, deren Position bereits bekannt ist, beispielsweise auch dadurch, dass das Objekt bereits vorher gegriffen wurde.
Aus der WO 2008/133974 A3 ist ein Greifsystem zur Handhabung von Teilen bekannt, das die Teile mittels eines Vakuumgreifers aufnimmt. Zur Positionierung des Greifers wird ein Kamerasystem verwendet. Zur Unterstützung des Kamerasystems ist auch ein taktiles Feedback von dem Greifer vorgesehen, um diesen an dem zu greifenden Teil zu positionieren oder das Festhalten des Teils zu überwachen.
Aus der DE 10 2007 025 488 B3 ist ein Kommissioniersystem unter Verwendung eines Kamerasystems bekannt, bei dem einer Bedienperson während des Bedienvorgangs ein taktiles Feedback gegeben wird, wobei jedoch kein taktiler Sensor an dem System vorgesehen ist. Das taktile Feedback soll demnach lediglich einen zusätzlichen Kommunikationsweg zu der Bedienperson nutzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, die Handhabung eines Körpers mittels einer Handhabungsvorrichtung einfacher und zuverlässiger zu gestalten und eine gute Kontrolle darüber zu ermöglichen, wie der Körper gegriffen wird, dabei kann von einer vollständigen Rekonstruktion des Objektes abgesehen werden.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 16 beziehen sich auf mögliche Umsetzungen der Erfindung. Die Aufgabe wird zudem durch eine Handhabungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst, wobei der Patentanspruch 18 eine Umsetzung der Erfindung darstellt.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Handhabung eines Körpers mittels einer Handhabungsvorrichtung, bei dem der Körper mittels einer Aufnahmevorrichtung an einer ersten Position aufgenommen und zu einer zweiten Position transportiert wird.
Dazu ist zudem vorgesehen, dass zuerst mittels eines berührungsfreien Objekterkennungssystems eine Repräsentation des Körpers gewonnen wird, dass darauf der Körper durch die Aufnahmevorrichtung aufgenommen wird und dass mittels wenigstens einen taktilen Sensors der Aufnahmevorrichtung Merkmale des Körpers in der Aufnahmevorrichtung erfasst werden, dass die erfassten Merkmale mit der Repräsentation des Körpers verknüpft werden und dass das Aufnehmen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung validiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise für sogenannte Bin-Picking-Systeme verwendet werden, bei denen aus einer ungeordneten Menge von Teilen mittels einer Greif- oder Aufnahmevorrichtung einzelne Teile (Körper) herausgegriffen werden. Dieser Vorgang wird bisher oft unter Verwendung von berührungslos gewonnenen Daten, also beispielsweise Bilddaten, gesteuert. Oft sind so gewonnene Bilddaten jedoch fehlerbehaftet und unvollkommen, da einerseits die ungeordnet zusammenliegenden Teile durch eine automatische Erkennung schwierig zu trennen sind und andererseits die Bilddaten an sich ungenau und fehlerbehaftet sein können. Dies ist besonders für Objekte mit transparenten und/oder spiegelnden Oberflächen der Fall. Oft wird deshalb bei bekannten Systemen ein Teil (Körper) gar nicht oder nicht in der vorhergesehenen Weise oder Position gegriffen.
Durch die funktionale Verbindung eines berührungsfreien Objekterkennungssystems einerseits und eines oder mehrerer taktiler Sensoren der Aufnahmevorrichtung andererseits kann das Greifen eines Körpers sehr viel erfolgreicher und besser kontrollierbar durchgeführt werden. Deshalb sind einerseits Greifvorgänge häufiger erfolgreich, und eine Position des gegriffenen Körpers in der Aufnahmevorrichtung ist durch die Erfindung besser erfassbar. Die Verwendung von berührungslos gewonnenen Daten einerseits und taktil gewonnenen Daten andererseits kann beispielsweise auch dazu genutzt werden, zunächst aufgrund der berührungslos gewonnenen Daten einen relativ grob gesteuerten Greifvorgang einzuleiten und später durch die taktilen Daten die Position des Körpers im Greifer (in der Aufnahmevorrichtung) wesentlich genauer zu erfassen. Damit kann beim Ablegen des Körpers mittels der Greifvorrichtung der Endzustand bzw. die Endposition sehr genau bestimmt werden.
Sind mehrere taktile Sensoren vorgesehen, so können diese zumindest einige Millimeter voneinander beabstandet sein, um eine passende Ortsauflösung zu erreichen und ein Gesamtbild der Position des Körpers in der Aufnahmevorrichtung zu erzeugen. Die Ortsauflösung kann dabei besser sein als 5 mm, insbesondere besser als 3 mm. Jeder der taktilen Sensoren kann als binärer Sensor ausgestaltet sein, der nur eine Information über das Vorhandensein eines Drucks erzeugt, oder als Sensor, der das Maß des Drucks erfasst und signalisiert.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Repräsentation eines zu greifenden Körpers gewonnen werden, indem seine Gestalt mit begrenzter Auflösung ermittelt und eine oder mehrere mögliche Greifpositionen oder -konfigurationen bestimmt werden. Damit kann zunächst sichergestellt werden, dass der Körper durch die Aufnahmevorrichtung überhaupt gegriffen werden kann. Die Gestalt und die Abmessungen des Körpers müssen jedoch nicht unmittelbar erfasst werden, beispielsweise durch ein Kamerasystem, eine andere bildgebende Einrichtung oder beispielsweise ein kapazitives Abtastsystem, sondern die Repräsentation eines Körpers kann auch das Abrufen von Informationen aus einer Referenzliste oder Datenbank umfassen, sobald eine bestimmte minimale Erstinformation durch das berührungslose Erfassungssystem gewonnen ist. Dies kann beispielsweise durch eine rudimentäre optische Erkennung, jedoch auch durch andere Erkennungsmerkmale, wie beispielsweise RFIDs, oder das Erkennen einer Farbkodierung oder einer anderen Markierung, zum Beispiel einer Schrift, im berührungsfreien Objekterkennungssystem oder einem hinterlegten Modell des Objektes geschehen. Damit erhält das System eine Information über Größe und Gestalt und gegebenenfalls die Lage des Körpers oder zumindest eines Objektmerkmals, so dass ein zu erwartendes Muster einer taktilen Rückmeldung beim Greifen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung bereitgestellt werden kann. Dieses zu erwartende Muster kann mit dem tatsächlichen, von den Sensoren rückgemeldeten Muster zur Validierung des Greifens verglichen werden.
Es kann für eine genauere und zuverlässige Erfassung von Daten des Körpers in der Aufnahme vorgesehen sein, dass Merkmale des Körpers mittels wenigstens eines ortsauflösenden taktilen Sensors oder mehrerer taktiler Sensoren, insbesondere mehrerer ortsauflösender Sensoren, erfasst werden. Sind mehrere, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf oder auch mehr als fünf oder mehr als zehn taktile Sensoren vorgesehen, so können diese einzeln nicht ortsauflösend gestaltet sein.
Ein zu erfassendes Merkmal eines Körpers kann eine Wölbung, Kante, Loch aber auch eine elastische Eigenschaft eines Objektes sein sowie Struktureigenschaften eines Körpers umfassen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass aufgrund der durch das berührungsfreie Objekterkennungssystem gewonnenen Repräsentation des Körpers wenigstens ein Merkmalsmuster ermittelt wird, dass bei der Erfassung durch die taktilen Sensoren möglich oder wahrscheinlich ist und dass das/die ermittelten Merkmalsmuster mit den durch den/die taktilen Sensoren erfassten Daten verglichen wird/werden. Aus den so gewonnen Vergleichsdaten kann ermittelt werden, ob der Körper in der gewünschten Position durch die Aufnahmevorrichtung gegriffen worden ist. Ergeben sich Abweichungen von der Wunschposition, so können diese bestimmt werden, und es kann die tatsächliche Position des Körpers in der Aufnahmevorrichtung bestimmt werden. Damit kann die Ansteuerung der Handhabungsvorrichtung derart korrigiert werden, dass eine gewünschte Endposition und -ausrichtung des Körpers beim Ablegen erzielbar ist.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs des/der ermittelten Merkmalsmuster(s) mit den erfassten Daten des/der taktilen Sensoren die Handhabungsvorrichtung angesteuert wird. Die Daten der taktilen Sensoren können beispielsweise einmalig beim Greifen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung ermittelt und ausgewertet werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass beim Aufnehmen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung die Greiferkonfiguration, insbesondere die Ausrichtung der Aufnahmevorrichtung, in Abhängigkeit von den durch das berührungsfreie Objekterkennungssystem gewonnenen Daten gewählt wird.
Es ist auch denkbar, dass die Daten des/der taktilen Sensoren permanent während einer Zeitdauer oder mehrmals in zeitlichen Abständen nacheinander erfasst und Änderungen der Daten ermittelt werden und dass aus den Änderungen der Daten auf eine Kollision der Aufnahmevorrichtung oder des Körpers mit einem Hindernis oder auf ein Verrutschen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung oder einen Verlust des Körpers aus der Aufnahmevorrichtung geschlossen wird. Damit kann beispielsweise ermittelt werden, ob der Körper seine Position in der Aufnahmevorrichtung verändert. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Körper während der Handhabung verrutscht oder gänzlich aus der Aufnahmevorrichtung herausrutscht. Dies kann durch Erfassung der Änderung der taktilen Rückmeldedaten registriert und gemeldet werden. Eine derartige Meldung kann durch ein oder in Verbindung mit einem Alarmsignal, beispielsweise optischer oder akustischer Natur, oder einen Haltebefehl an die mechanische Steuerung der Handhabungsvorrichtung erfolgen oder zu einem veränderten Prozessablauf führen, in dem das Objekt erneut zuordenbar gegriffen wird oder aber ein gänzliches neues Objekt gegriffen wird.
Es kann auch vorgesehen sein, dass aus den Änderungen der Daten auf eine Kollision der Aufnahmevorrichtung oder des Körpers mit einem Hindernis geschlossen wird und die aktuelle Position der Handhabungsvorrichtung während der Kollision gespeichert und in nachfolgenden Handhabungsvorgängen vermieden wird. Hierzu können einerseits Änderungen der Kraftverteilung in einer statischen Betrachtung herangezogen werden, wie zum Beispiel eine Schwerpunktverschiebung oder eine andere Musterdifferenz.
Während der Kollision der Handhabungsvorrichtung oder der Aufnahmevorrichtung oder einer unmittelbaren Kollision des zu transportierenden Körpers mit einem Hindernis tritt jedoch auch ein bestimmtes dynamisches, zeitabhängiges Kräftemuster auf, in dem einerseits die rückgemeldeten taktilen Signale des/der Sensoren aus der Aufnahmevorrichtung sich schlagartig ändern und andererseits bestimmte dynamische Kräfte in der Aufnahmevorrichtung wirken, die beispielsweise zur Rückmeldung deutlich erhöhter Kräfte an einigen Sensoren und zur Rückmeldung deutlich verringerter Kräfte an anderen Sensoren führen können. Solche dynamischen Rückmeldemuster können detektiert und analysiert werden, so dass Kollisionen eindeutig identifizierbar sind. Solche dynamischen Rückmeldemuster können auch bei Inbetriebnahme der Handhabungsvorrichtung durch gezielt herbeigeführte Kollisionen erlernt werden. Auch bei Verwendung nur eines einzigen taktilen Sensors können schlagartige Kräfteänderungen registriert und auf diese Weise Kollisionen erkannt werden. Es kann dazu die Änderungsrate der Kräfte und/oder das Maß der Änderung erfasst und registriert werden.
Der Zeitpunkt und die Position der Aufnahmevorrichtung beim Auftreten einer Kollision lassen sich durch die Parameter der Steuerung der Handhabungsvorrichtung identifizieren und abspeichern. Ist der Ort der Aufnahmevorrichtung bekannt, an dem eine erhöhte Kollisionsgefahr besteht, so kann dieser Ort bei zukünftigen Handhabungsprozessen vermieden und weiträumig umfahren werden.
Es kann auch beispielsweise vorgesehen sein, dass, wenn auf ein Verrutschen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung geschlossen wird, der Körper abgelegt und neu aufgenommen wird. Unter dem Verrutschen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung kann beispielsweise verstanden werden, dass sich ein identifiziertes und überwachtes Körpermerkmal verschiebt, in dem zum Beispiel eine der durch die taktilen Sensoren registrierten Hauptachsen des Körpers sich um einen Winkel verschiebt, der eine bestimmte voreingestellte Schwelle überschreitet.
Bei der Gestaltung des eigentlichen Handhabungsvorgangs kann vorgesehen sein, dass das Aufnehmen des Körpers in der Aufnahmeeinrichtung das Erzeugen einer Andruckkraft umfasst, mit der der Körper gegen eine erste Greiffläche der Aufnahmevorrichtung gedrückt wird, auf der ein insbesondere ortsauflösender taktiler Sensor vorgesehen ist.
Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Körper in der Aufnahmevorrichtung zwischen zwei Greifflächen gepresst wird, die jeweils einen ortsauflösenden Sensor aufweisen.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Körper durch eine Saugvorrichtung an eine Fläche der Aufnahmevorrichtung angepresst wird, die wenigstens einen insbesondere ortsauflösenden taktilen Sensor aufweist. Auch das Andrücken eines Körpers an eine Aufnahmevorrichtung durch magnetische Anziehungskräfte ist möglich, wobei die Fläche, an die der Körper in der Aufnahmevorrichtung gepresst wird, mit entsprechenden taktilen Sensoren ausgestattet sein kann.
Es kann auch sein, dass zwischen dem taktilen Sensoren und dem Objekt ein oder mehrere Zwischenelemente liegen, die das Aufnahmeverhalten des Sensors beeinflussen sollen/ oder aber für das Wirkprinzip des Greifers notwendig sind, wie zum Beispiel ein Gummibelag.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Körper in der Aufnahmevorrichtung einer zeitlich veränderlichen Andruckkraft ausgesetzt wird und dass das Nachgeben des Körpers in Abhängigkeit von der Andruckkraft erfasst wird. Durch das Variieren der Andruckkraft und das Registrieren der taktilen Rückmeldung in Form der Messdaten der taktilen Sensoren kann die Nachgiebigkeit des zu greifenden Körpers ermittelt werden. Diese kann beispielsweise dadurch gegeben sein, dass der Körper insgesamt biegbar ist oder dass er beispielsweise eine weiche oder stellenweise weiche Oberfläche aufweist. Auch das Vorhandensein von Kanten oder Erhebungen an dem zu greifenden Körper kann auf diese Weise mittels der Sensoren ertastet werden. Ändert durch den zunehmenden Druck der Körper schlagartig seine Position in der Aufnahmevorrichtung, beispielsweise dadurch, dass er beschädigt wird oder kippt, so ist dies durch eine ebenso schlagartige Änderung der Messdaten der taktilen Sensoren nachweisbar und berücksichtigbar.
Bei besonders schwierigen Handhabungsvorgängen, bei denen beispielsweise die berührungslose Erfassung von Anfangsdaten besonders schwierig oder unvollkommen ist, kann außerdem vorgesehen sein, dass vor dem Aufnehmen des Körpers ein mit einem ortsauflösenden taktilen Sensor versehener Teil der Aufnahmevorrichtung, insbesondere eine Greiffläche, gegen den Körper gedrückt wird und taktile Daten erfasst werden. Damit können in einem ersten Schritt die unvollkommenen berührungslos gewonnenen Daten, beispielsweise Kameradaten, durch die taktil gewonnenen Daten ergänzt werden, ohne dass der Körper zunächst ergriffen wird. Erst in einem zweiten Schritt kann dann der Körper mittels der Aufnahmevorrichtung gegriffen und der Greifvorgang durch weitere Auswertung von taktilen Daten validiert werden.
Bei der anfänglichen Datengewinnung durch ein berührungsloses Erfassungssystem kann vorgesehen sein, dass die Repräsentation des Körpers seine Lage und/oder Orientierung und/oder Form und/oder Größe umfasst. Dadurch kann auch die Konfiguration der Aufnahmevorrichtung, beispielsweise deren Ausrichtung und der Öffnungswinkel eines Greifers, optimiert werden.
Es kann, wie oben bereits angedeutet, vorgesehen sein, dass durch das Objekterkennungssystem die Form und Größe des Körpers unmittelbar oder durch Vergleich mit Referenzwerten einer Datenbank ermittelt wird.
Es kann auch für eine detailliertere Identifizierung oder Lokalisierung des Körpers vorgesehen sein, dass Kanten und/oder Absätze und/oder Vorsprünge und/oder Ausnehmungen des Körpers durch das Objekterkennungssystem unmittelbar ermittelt und daraus zu erwartende taktile Muster erzeugt werden. Bei Ausführung einer bestimmten Greiferkonfiguration zu einem identifiziert Merkmal kann so ein zu erwartendes taktiles Muster gewonnen werden. Weiterhin, wenn spezifische Merkmale identifiziert werden, können auch die restlichen Modelldaten reproduziert werden.
Bei Rückgriff auf Referenzdaten kann auch das Vorhandensein von geometrischen Merkmalen, wie Erhebungen oder Kanten, ermittelt und nur noch die Lage dieser Merkmale durch das berührungsfreie Objekterkennungssystem und/oder die taktilen Sensoren ermittelt werden.
Fehlerhafte Greifvorgänge beim Greifen von Objekten können über den Abgleich mit den Erwartungswerten festgestellt werden. Im Zuge eines wiederholten Fehlgreifens in der gleichen Art und Weise kann auf eine Fehlkonfiguration der Greifvorrichtung (Offsets) geschlossen werden. Der Offset kann so direkt ermittelt werden und für eine Online-Kalibrierung der Bewegungsvorrichtung genutzt werden oder dem Bediener kann mitgeteilt werden, dass eine erneute Kalibrierung notwendig ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die durch die taktilen Sensoren erfasste Gesamtkraft, die auf den Körper wirkt, oder eine diese repräsentierende Gesamtsignalstärke überwacht wird, und dass beim Absinken der Gesamtkraft unter eine erste Schwelle oder bei Überschreiten einer zweiten Schwelle auf eine Fehlfunktion der Aufnahmevorrichtung geschlossen wird. Beispielsweise kann bei mangelnder Funktion einer Ansaugvorrichtung ein Körper durch die Aufnahmevorrichtung langsam losgelassen werden, was grundsätzlich im Zuge der Handhabung von Bauteilen unerwünscht ist. Auch das Greifen in einem mechanischen, zangenartigen Greifer kann mängelbehaftet sein, wenn die Greifkraft beispielsweise bei Verwendung hydraulischer oder pneumatischer Krafterzeugungsmechanismen nachlässt. Vor solchen Fehlern kann durch die laufende Ermittlung der Anpresskraft des Körpers in der Aufnahmevorrichtung rechtzeitig gewarnt werden bzw. über eine Wartung informiert werden.
Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Verfahren der oben genannten und erläuterten Art auch auf eine Handhabungsvorrichtung zur Handhabung eines Körpers, mit einer Aufnahmevorrichtung, mittels derer der Körper an einer ersten Position aufgenommen und zu einer zweiten Position transportiert wird, sowie mit einem berührungsfreien Objekterkennungssystem zur Gewinnung einer Repräsentation des Körpers, wobei die Aufnahmevorrichtung wenigstens einen ortsauflösenden taktilen Sensor zur Erfassung von Merkmalen des Körpers aufweist, und mit einer Verknüpfungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die taktil erfassten Merkmale mit der Repräsentation des Körpers zu verknüpfen und in Abhängigkeit vom Verknüpfungsergebnis das Aufnehmen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung zu validieren.
Die Handhabungsvorrichtung kann beispielsweise so gestaltet sein, dass eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung eines Zielortes des Körpers durch die Handhabungsvorrichtung vorgesehen ist, wobei die Steuerungseinrichtung mit der Verknüpfungseinrichtung verbunden ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
1 schematisch eine Handhabungsvorrichtung in Form eines Roboters, der dazu eingerichtet ist, Teile aufzunehmen und abzulegen,
2, 3, 4 verschiedene Ausführungsformen einer Aufnahmevorrichtung,
5 einen zu handhabenden Körper in einer Aufnahmevorrichtung,
6 ein erwartetes Muster eines Körpers in einer Aufnahmevorrichtung,
7 eine mögliche tatsächliche Druckverteilung eines in der Aufnahmevorrichtung gehaltenen Körpers sowie
8 schematisch eine Verknüpfungseinrichtung zur Verknüpfung der taktil erfassten Merkmale mit einer berührungsfrei gewonnenen Repräsentation des zu handhabenden Körpers.
1 zeigt eine Handhabungsvorrichtung 1 in Form eines Roboters, die in der Lage ist, aus einer Menge 2 von ungeordnet liegenden Körpern 12, 13 einen Einzelnen herauszugreifen (Bin Picking) und von einem ersten Ablagetisch 3 (erste Position) zu einem zweiten Ablagetisch 4 (zweite Position) zu transportieren. Dabei kann beim Ablegen eine bestimmte Ausrichtung eines Körpers gefordert sein. Die Handhabungsvorrichtung weist ein um eine Achse 5 drehbares Grundgestell 6 sowie einen Roboterarm 7 auf, der auf der linken Seite der Figur in einer ersten Position und auf der rechten Seite der Figur in gestrichelter Form in einer zweiten Position gezeigt ist. Der Roboterarm weist zwei Gelenke 8, 9 auf, in denen ein von dem Gestell 6 weiter entfernter Teil gegenüber einem dem Gestell 6 näheren Teil um wenigstens eine Achse geschwenkt werden kann.
Die Schwenkbewegungen um die einzelnen Gelenke 8, 9 sind elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch antreibbar. Die einzelnen Bewegungen werden durch eine Steuervorrichtung 10 gesteuert.
Am Ende des Roboterarms 7 ist eine Aufnahmevorrichtung 11 angeordnet, die zwei gegeneinander schwenkbare zangenartige Backen 11a, 11b aufweist. Zwischen den Backen 11a, 11b kann einer der Körper durch eine Schließbewegung der Aufnahmevorrichtung eingeklemmt werden. Hierzu muss zunächst der Roboterarm 7 geeignet in die Nähe der Körper 12, 13 gebracht, dann in die richtige Position bewegt und darauf die Aufnahmevorrichtung geschlossen werden.
Um die Aufnahmevorrichtung und den Roboterarm 7 geeignet zu steuern, kann eine Kamera 14 vorgesehen sein, die an dem Roboterarm, speziell auch an der Aufnahmevorrichtung 11 selbst, befestigt sein und auf den möglichen Greifbereich der Aufnahmevorrichtung 11 gerichtet sein kann.
Auf den Innenseiten der Backen 11a, 11b sind an taktile Sensoren 11c, 11d angeordnet, die ortsauflösend als zweidimensionale Matrix ausgebildet sein können oder zweidimensionale Sensormatrix auf gekrümmten Oberflächen, wodurch dreidimensionale Informationen gewonnen werden können. Damit kann eine Druckverteilung im Bereich der Greifflächen der Aufnahmevorrichtung 11 ortsaufgelöst erfasst und dargestellt werden. Es ist auch denkbar, nur einzelne, nicht ortsauflösende Sensoren zu verwenden und mit einer beschränkten Zahl von taktil erfassten Daten zu arbeiten.
Die taktilen Sensoren 11c, 11d können jeweils mit einem elastischen, insbesondere auch rutschfesten Belag versehen sein, um das Greifen eines Körpers 12, 13 zu erleichtern.
Grundsätzlich ist es bekannt, mittels eines Kamerasystems 14 berührungslos ein Bild oder eine andere Repräsentation von mehreren potenziell greifbaren Körpern 12, 13 zu erzeugen und in Abhängigkeit von dem Bild die Aufnahmevorrichtung und gegebenenfalls den Roboterarm 7 derart zu steuern, dass einer der Körper 12, 13 selektiv gegriffen werden kann.
Ein solches Ausselektieren und gezieltes Greifen eines einzelnen Körpers ist jedoch fehlerbehaftet, da die durch ein Kamerasystem 14 gewonnenen Bilder unvollkommen sind und durch Reflexionen verfälscht sein können und da Objekte mit schwierigen Oberflächeneigenschaften (Transparent, glänzend bzw. stark reflektierend, spiegelnde Oberflächen) schwierig erkennbar sein können.
Nähert sich die Aufnahmevorrichtung 11 der Menge 2 von Körpern, so kann zwar ein Greifvorgang stattfinden, jedoch ist nicht sicher vorhersagbar, was / welcher Körper, an welcher Stelle letztendlich gegriffen wird, und in welcher Position relativ zu der Aufnahmevorrichtung 11.
Aus diesem Grund kann zunächst durch die Kamera 14 ein Bild der Ansammlung 2 von Körpern 12, 13 gemacht und eine erste Hypothese über das Vorhandensein und die Lage einzelner Körper erstellt werden. Gleichzeitig kann die Form und Größe der Körper entweder unmittelbar anhand des gewonnenen Bildes ermittelt oder durch Bezug auf eine Referenzliste ermittelt werden. Häufig scheitern bei nichtzuordenbaren Punktwolken heutige Bin-Picking Systeme, da selbst nach dem Greifen nicht bekannt ist, wie das Bauteil im Greifer liegt.
Im nächsten Schritt kann ein wahrscheinliches oder zu erwartendes Lagebild des erkannten Körpers erzeugt werden, das dieser bei einer Aufnahme in der Aufnahmevorrichtung erzeugen sollte. Dieses Bild oder Muster wird mit einem tatsächlich durch taktile Sensoren in der Aufnahmevorrichtung 11 gewonnenen Druckverteilungsmuster des Körpers verglichen, und es werden Übereinstimmungen und Unterschiede identifiziert. Aufgrund der Übereinstimmungen in der Form kann festgestellt werden, ob tatsächlich der richtige/beabsichtigte Körper gegriffen worden ist, und aufgrund von Abweichungen von dem erwarteten Muster bezüglich Lage und Winkel kann ermittelt werden, ob der Körper in der Aufnahmevorrichtung an der richtigen Stelle und in der richtigen Winkellage ergriffen worden ist.
2 zeigt als Beispiel einer Aufnahmevorrichtung 11 einen Greifer mit einer Grundplatte 15, die an ihrer Greiffläche 15a einen nicht dargestellten Belag mit örtlich verteilten taktilen Sensoren aufweist. Die Sensoren können beispielsweise schachbrettartig auf der Greiffläche verteilt sein. Der Grundplatte 15 gegenüberliegend ist eine Pressplatte 16 angeordnet, die an einem Klemmarm 17 gegenüber der Grundplatte 15 um eine Achse 18 schwenkbar ist. Demgemäß kann zwischen der Pressplatte 16 und der Grundplatte 15 ein Körper 12, 13 ergriffen und eingeklemmt werden. Auch auf der Pressplatte 16 können örtlich verteilt, ein oder mehrere taktile Sensoren vorgesehen sein.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Aufnahmevorrichtung mit einer Grundplatte 19, die Bohrungen 20, 21 aufweist, die mit einem Vakuumsaugsystem 22 verbunden sind. Durch die Bohrungen 20, 21 wird somit Luft angesaugt, und es kann durch die Saugwirkung ein Körper 12, 13 an die Grundplatte 19 angezogen und dort gehalten werden. Die Grundplatte 19 kann örtlich verteilte taktile Sensoren aufweisen, die den Druck eines an der Grundplatte 19 gehaltenen Körpers registrieren.
4 zeigt eine Aufnahmevorrichtung mit einer von der Seite gezeigten Grundplatte 23, hinter der ein Magnet 24 angeordnet ist. Die Grundplatte 23 ist an einem Arm 25 gehalten. Durch die magnetische Wirkung des Magneten 24 kann ein Körper 12, der aus einem magnetischen Material besteht, an die Grundplatte 23 angezogen werden. Auf der Grundplatte 23 sind örtlich verteilt taktile Sensoren vorgesehen. Anstelle eines gesonderten Magneten kann auch die Grundplatte 23 selbst magnetisch aktiv gestaltet sein.
5 zeigt schematisch eine Grundplatte 15 mit einem angedeuteten schachbrettartigen Muster von taktilen Sensoren 25, 26, 27 sowie einen Körper 12, der beispielsweise an die Grundplatte 15 angepresst werden kann.
In 6 ist ein geometrisches Muster 28 gezeigt, das durch eine berührungslose Erfassung eines Körpers 12 mittels einer Kamera 14 ermittelt werden kann. Das Muster 28 stellt eine mögliche Position des Körpers 12 an der Grundplatte 15 dar. Dieses Muster kann beispielsweise das erwartete Muster einer Druckverteilung darstellen, die durch die taktilen Sensoren an der Grundplatte 15 aufgenommen wird, wenn der Körper 12 in der Wunschposition gegriffen wird.
In 7 ist eine Verteilung von möglichen Lagebildern an der Grundplatte 15 dargestellt, die sich durch Ungenauigkeiten der taktilen Sensoren oder durch verschiedene mögliche Lagen des Körpers 12 an der Grundplatte 15 ergeben können.
Das ideale Muster 28 kann mit einer tatsächlich ermittelten Druckverteilung der taktilen Sensoren verglichen werden, um festzustellen, ob der Körper 12 in der gewünschten Lage und Position an der Grundplatte 15 bzw. in der Aufnahmevorrichtung gelagert ist. Stimmt die Verteilung 29 mit dem Muster 28 hinreichend überein, so wird das Ergreifen des Körpers 12 durch die Aufnahmevorrichtung validiert, und der Körper 12 kann zu dem Zielort 4 transportiert werden. Ansonsten kann der Körper abgelegt und neu gegriffen werden, oder die Ausrichtung der Aufnahmevorrichtung kann derart verändert werden, dass der Körper in einer Wunschposition und -ausrichtung an der zweiten Position abgelegt werden kann.
Die Erfassung der tatsächlichen Druckverteilung mittels der taktilen Sensoren kann fortwährend oder in bestimmten zeitlichen Abständen während der Handhabung des Körpers 12 stattfinden, und es können Veränderungen der Druckverteilung registriert werden. Diese können beispielsweise durch ein Herausrutschen des Körpers 12 aus der Aufnahmevorrichtung 11 oder durch Kollision der Aufnahmevorrichtung 11 oder des Körpers 12 mit einem Hindernis entstehen. Wird eine derartige Kollision erkannt, so kann der Ort der Kollision gespeichert und bei nachfolgenden Handhabungsvorgängen durch die Handhabungsvorrichtung gezielt umgangen werden.
8 zeigt eine Verknüpfungseinrichtung 30, die zunächst Signale von einem berührungslosen Erfassungssystem 14 erhält und aufgrund dieser Signale, gegebenenfalls durch Vergleich mit Daten einer Datenbank 31 oder auch unmittelbar durch Erkennung der geometrischen Form eines Körpers 12, 13, das Merkmal ermittelt. Aus dieser Form werden mögliche Druckverteilungsmuster in der Aufnahmevorrichtung beim Greifen des Körpers 12, 13 ermittelt.
Die taktilen Sensoren 11c, 11d übermitteln an die Verknüpfungseinrichtung 30 ein tatsächliches Bild der Druckverteilung des Körpers in der Aufnahmevorrichtung. Diese wird mit den aus der berührungslosen Erfassung gewonnenen Mustern verglichen, und hieraus wird abgeleitet, ob das Greifen validiert werden kann oder nicht. Bei einer positiven Validierung kann mittels einer ersten Anzeigevorrichtung 32 ein positives Signal gegeben werden, bei nicht zufriedenstellender Übereinstimmung der Muster kann durch eine zweite Anzeigevorrichtung 33 das Greifen des Körpers verneint und ein Signal zum Verwerfen des Greifvorgangs und zum Rücktransport des Körpers gegeben werden.
Die Verknüpfungseinrichtung 30 kommuniziert zudem mit der Steuervorrichtung 10 der Handhabungsvorrichtung, so dass die gesamte Handhabungsvorrichtung inklusive des Roboterarms und der Aufnahmevorrichtung in Abhängigkeit von der validierten oder nicht validierten Musterübereinstimmung gesteuert werden kann.
Wird die Erfassung der taktilen Signale ständig wiederholt, so kann bei einer schlagartigen Änderung der Signale eine Kollision registriert werden. Es kann auch lediglich eine Änderung registriert und auf das Überschreiten und/oder Unterschreiten bestimmter Schwellen geprüft werden. Durch Austausch der Daten zwischen der Verknüpfungseinrichtung 30 und der Steuervorrichtung 10 zu diesem Zeitpunkt kann festgestellt werden, an welchem Punkt sich bei der Kollision der Roboterarm 7 und/oder die Handhabungsvorrichtung 11 befinden, so dass der Ort eines Hindernisses eingegrenzt und registriert werden kann, um zukünftige Kollisionen zu vermeiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10313890 A1 [0004]
DE 10319253 A1 [0005]
DD 254160 A1 [0006]
WO 2008/133974 A3 [0007]
DE 102007025488 B3 [0008]

Claims

Verfahren zur Handhabung eines Körpers (12, 13) mittels einer Handhabungsvorrichtung (1), bei dem der Körper mittels einer Aufnahmevorrichtung (11) an einer ersten Position aufgenommen und zu einer zweiten Position transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst mittels eines berührungsfreien Objekterkennungssystems (14) eine Repräsentation des Körpers (12, 13) gewonnen wird, dass darauf der Körper durch die Aufnahmevorrichtung (11) aufgenommen wird und dass mittels wenigstens eines taktilen Sensors (11c, 11d, 25, 26, 27) der Aufnahmevorrichtung (11) Merkmale des Körpers in der Aufnahmevorrichtung erfasst werden, dass die erfassten Merkmale mit der Repräsentation des Körpers verknüpft werden und dass das Aufnehmen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung validiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Merkmale des Körpers (12, 13) mittels wenigstens eines ortsauflösenden taktilen Sensors (11c, 11d, 25, 26, 27) oder mehrerer taktiler Sensoren, insbesondere mehrerer ortsauflösender Sensoren, erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der durch das berührungsfreie Objekterkennungssystem (14) erfassten Repräsentation des Körpers (12, 13) wenigstens ein Merkmalsmuster (28) ermittelt wird, das bei der Erfassung durch den/die taktilen Sensoren möglich oder wahrscheinlich ist und dass das/die ermittelten Merkmalsmuster mit den durch den/die taktilen Sensoren (11c, 11d, 25, 26, 27) erfassten Daten verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs des/der ermittelten Merkmalsmuster(s) mit den erfassten Daten der taktilen Sensoren (11c, 11d, 25, 26, 27) die Handhabungsvorrichtung angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufnehmen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung (11) die Greiferkonfiguration, insbesondere die Ausrichtung der Aufnahmevorrichtung (11), in Abhängigkeit von den durch das berührungsfreie Objekterkennungssystem (14) gewonnenen Daten gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten des/der taktilen Sensoren (11c, 11d, 25, 26, 27) permanent während einer Zeitdauer oder mehrmals in zeitlichen Abständen nacheinander erfasst und Änderungen der Daten ermittelt werden und dass aus den Änderungen der Daten auf eine Kollision der Aufnahmevorrichtung (11) oder des Körpers (12, 13) mit einem Hindernis oder auf ein Verrutschen des Körpers in der Aufnahmevorrichtung (11) oder einen Verlust des Körpers aus der Aufnahmevorrichtung (11) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, dass aus den Änderungen der Daten auf eine Kollision der Aufnahmevorrichtung (11) oder des Körpers (12, 13) mit einem Hindernis geschlossen wird und die aktuelle Position der Handhabungsvorrichtung während der Kollision gespeichert und in nachfolgenden Handhabungsvorgängen vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, dass auf ein Verrutschen des Körpers (12, 13) in der Aufnahmevorrichtung (11) geschlossen wird, der Körper abgelegt und neu aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnehmen des Körpers (12, 13) in der Aufnahmeeinrichtung (11) das Erzeugen einer Andruckkraft umfasst, mit der der Körper gegen eine erste Greiffläche der Aufnahmevorrichtung gedrückt wird, auf der ein insbesondere ortsauflösender taktiler Sensor (11c, 11d, 25, 26, 27) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12, 13) in der Aufnahmevorrichtung (11) zwischen zwei Greifflächen gepresst wird, die jeweils wenigstens einen taktilen Sensor, insbesondere einen ortsauflösenden taktilen Sensor (11c, 11d, 25, 26, 27) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12, 13) in der Aufnahmevorrichtung (11) einer veränderlichen Andruckkraft ausgesetzt wird und dass das Nachgeben des Körpers (12, 13) in Abhängigkeit von der Andruckkraft erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufnehmen des Körpers (12, 13) ein mit einem ortsauflösenden taktilen Sensor versehener Teil der Aufnahmevorrichtung, insbesondere eine Greiffläche, gegen den Körper gedrückt wird und taktile Daten erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Repräsentation des Körpers (12, 13) seine Lage und/oder Orientierung und/oder Form und/oder Größe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Objekterkennungssystem (14) die Form und Größe des Körpers unmittelbar oder durch Vergleich mit Referenzwerten einer Datenbank (31) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass Kanten und/oder Absätze und/oder Vorsprünge und/oder Ausnehmungen des Körpers (12, 13) durch das berührungsfreie Objekterkennungssystem (14) ermittelt und daraus zu erwartende taktile Muster erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die taktilen Sensoren (11c, 11d, 25, 26, 27) erfasste Gesamtkraft, die auf den Körper (12, 13) wirkt, überwacht wird und dass beim Absinken der Gesamtkraft unter eine erste Schwelle oder bei Übersteigen einer zweiten Schwelle auf eine Fehlfunktion der Aufnahmevorrichtung (11) erkannt wird.
Handhabungsvorrichtung zur Handhabung eines Körpers (12, 13), mit einer Aufnahmevorrichtung (11), mittels deren der Körper (12, 13) an einer ersten Position aufgenommen und zu einer zweiten Position transportiert wird, sowie mit einem berührungsfreien Objekterkennungssystem (14) zur Erfassung einer Repräsentation des Körpers, wobei die Aufnahmevorrichtung (11) wenigstens einen taktilen Sensor (11c, 11d, 25, 26, 27), insbesondere einen oder mehrere ortsauflösende taktile Sensoren, zur Erfassung von Merkmalen des Körpers aufweist, und mit einer Verknüpfungseinrichtung (30), die dazu eingerichtet ist, die erfassten Merkmale mit der Repräsentation des Körpers (12, 13) zu verknüpfen und in Abhängigkeit vom Verknüpfungsergebnis das Aufnehmen des Körpers (12, 13) in der Aufnahmevorrichtung (11) zu validieren.
Handhabungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (10) zur Ansteuerung eines Zielortes des Körpers (12, 13) durch die Handhabungsvorrichtung (1) vorgesehen ist, wobei die Steuerungseinrichtung (10) mit der Verknüpfungseinrichtung (30) verbunden ist.