DE102018106812A1

DE102018106812A1 - Interaktives Greifsystem

Info

Publication number: DE102018106812A1
Application number: DE102018106812.3A
Authority: DE
Inventors: Jakob Khoury; Markus GLÜCK
Original assignee: Schunk GmbH and Co KG
Current assignee: Schunk GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2019-09-26

Abstract

Greifsystem und Verfahren zum Betreiben eines Greifsystems mit einem Endeffektor, mit Sensoren zur Erfassung des Greifumfeldes, mit einer Analyse- und Steuereinheit, mit einem im Endeffektor vorgesehenen Kommunikationssystem, wobei das Greifsystem derart eingerichtet ist, dass die Analyse- und Steuereinheit in Abhängigkeit von dem mit den Sensoren erfassten Greifumfeld durch das Kommunikationssystem Informationen zur Werkerassistenz bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein interaktives Greifsystem mit kognitiven Fähigkeiten und unmittelbarer situationsgerechter Nutzer-Interaktion. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben eines Greifsystems.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Greifsysteme bekannt. Insbesondere sind Greifsysteme mit Endeffektoren bekannt, die als Aktoren am Ende einer kinematischen Kette (beispielsweise als Anbauwerkzeuge an einem Roboter) eingesetzt und in der Regel zum Öffnen oder Schließen bzw. zur Greifkrafterzeugung und Werkstückhandhabung angesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt dabei pneumatisch über Kolbenhübe oder mechatronisch mittels elektromotorischer Antriebskomponenten. Die Antriebskomponenten weisen entweder keine eigene Steuerung oder allenfalls Komponenten zur unmittelbaren Ansteuerung der relevanten Funktionsbaugruppen (z. B. der Ventile, Motoren) auf.
Im Allgemeinen stellen die bekannten Greifsysteme reine Aktoren dar. Integrierte oder angebaute Sensoren werden allenfalls zur Wegmessung, Greifpositions- oder Endlagenerkennung eingesetzt. Die Greifer kommen in der Regel in einem vom Bediener abgetrennten, geschützten Arbeitsbereich zum Einsatz. Sicherheitsvorkehrungen sind in der Regel nicht unmittelbar im Endeffektor integriert.
Eine eigenständige Systemanpassung des Greifsystems an die zu erledigenden Aufgaben findet nicht statt.
Es gibt auch neuere Ansätze: Eine neue Greifer-Generation hält Einzug in die Produktionshallen. Diese funktional sicheren Greifsysteme sind ausgelegt für die unmittelbare Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK). Unter MRK versteht man die sichere, schutzzaunlose unmittelbare Interaktion zwischen einem Werker (Mensch) und einem Roboter in gemeinsam genutzten Arbeitsräumen. MRK ist eine der tragenden Säulen von Industrie 4.0. MRK führt die Stärken von Menschen und Robotern synergetisch zusammen und ermöglicht eine erheblich flexiblere automatisierte Produktion.
Verändert haben sich dadurch die Anforderungen an Montage- und Greifsysteme. Diese werden mehr und mehr das bislang vorherrschende Einsatzszenario der vollautomatisierten Massenproduktion verlassen, beim dem die Sicherheit durch eine strikte Trennung von Mensch und Maschine gewährleistet wurde.
Vielmehr entwickelt sich die klassische Industrierobotik weiter zur modernen Assistenz- und Servicerobotik. Wo eine Vollautomatisierung von Produktions- oder Montagelinien zu teuer oder nur bedingt umsetzbar ist, bietet es sich an, Teilprozesse herauszulösen und sie zwischen Mensch und Roboter aufzuteilen. An vielen Arbeitsplätzen der zukünftigen Produktion werden Roboter die Werker bei ihren Aufgaben aktiv unterstützen und direkt mit den Werkern interagieren.
Diese Veränderung und die Anforderungen einer Industrie 4.0 mit flexibler wandlungsfähiger Produktion stellen zusätzliche neue, über den heutigen Stand der Technik deutlich hinausgehende Anforderungen an zukünftige Greif-, Handhabungs- und Montageassistenzsysteme. Es genügt nicht mehr, über einfachste unidirektionale Schnittstellen für ein kontrolliertes Greifen, Öffnen oder Schließen eines Greifwerkzeugs zu sorgen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Greifsysteme bereitzustellen, die diesen neuen Anforderungen gewachsen sind. Künftige Greifsysteme müssen über dezentrale Steuerungseinrichtungen und im Greifwerkzeug integrierte Sensorik sehend, fühlend und ratgebend gemacht werden.
Dazu werden insbesondere - aber nicht ausschließlich - für die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) optimierte intelligente Greifsysteme gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Weitere, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Solche Greifsysteme verfügen insbesondere über integrierte Sensoren, Analyse- und Steuereinheiten wie lokale Steuerungen und/oder Rechnersysteme und eingebaute Sensoren wie insbesondere Kameras. Damit kann eine Absicherung des Greifraums, eine Bewertung der Greifsituation und eine Prüfung des zu handhabenden Werkstücks, z. B. eine geometrische Vermessung oder die Überprüfung auf vollständige und schadensfreie Bestückung, ermöglicht werden.
Die vorgeschlagenen Greifsysteme ermöglichen eine interaktive, situationsbezogene und bedarfsgerechte Informationsbereitstellung am Greifsystem, die weit über die sonst übliche Visualisierung von Systemzuständen und Fehlermeldungen hinausgeht. Damit können folglich in einer bisher nicht bekannten Art und Weise Informationen zur Werkerassistenz bereitstellt werden.
Dies soll an einem Beispiel gemäß 1 erläutert werden. Mit dem Greifsystem 10 gemäß 1 wird eine Workflowbegleitende Visualisierung in Bild- und Textform oder einer beliebigen Kombination dieser Formen (z. B. auch als animierte Videosequenz, als Virtual Reality Repräsentation oder eine Augmented Reality Darstellung) passend zum Arbeitsprozess dargeboten. Dies kann beispielsweise eine Montageanweisung oder Prüfvorschrift sein, die über ein im Greifsystem 10 integriertes grafisches Display 11 dargestellt wird und den Werker in Abhängigkeit eines tun bzw. der jeweiligen Arbeitssituation interaktiv bei der Bearbeitung begleitet und assistiert. Die Assistenz ist dabei situationsabhängig auf die Bedürfnisse des Werkers abgestimmt.
Dabei ist vorteilhaft, dass ganz im Sinne einer flexiblen Arbeitsplatz- und Arbeitsprozessgestaltung nach den Leitgedanken der Industrie 4.0 eine bedarfsgerechte Informationsbereitstellung, Arbeitsprozessbegleitung und Prozessüberwachung durch die im Greifsystem integrierten Rechner und Displays für die Nutzer möglich wird. Dies kann auch in verschiedenen Sprachen erfolgen.
Ferner ist besonders vorteilhaft, dass die Informationsbereitstellung sowohl aus einer direkten, beispielsweise in einem Speicher des Greifsystems abgelegten Ablaufsteuerung, als auch unter Ausnutzung von mit dem Greifsystem vernetzten anderen informationstechnischen Systemen inklusive einer Cloud-Realisierung erfolgen kann.
Ferner ist vorteilhaft, dass die Informationsbereitstellung situativ und schrittweise erfolgen kann und die dabei dargestellten Inhalte sich aus der Auswertung von Sensordaten zum Handhabungsprozess, durch direktes Quittieren durch den Werker (Interaktion) oder automatisch nach Auswertung von Sensor- und Kameradaten bzw. einer Kombination derselben (Kognition) ergeben bzw. anpassen.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass animierte Videosequenzen auf einem im Greifsystem eingebauten Display dargestellt werden, die einem Werker die zu erledigende Arbeitsabläufe im Sinne eines kontrollierten Workflows verdeutlichen und eine direkte Interaktion bei Prüf- und Arbeitsschritte ermöglichen.
Ferner ist vorteilhaft, dass eine Identifikation des Nutzers und dadurch eine Personalisierung des Systems sowie eine Zugriffsberechtigung über das Display und das integrierte Rechnersystem möglich sind.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass von den Rechnern, Sensoren und Messsystemen im Greifer ausgehend eine Informationsweitergabe an übergeordnete Steuerungssysteme (z. B. einer Robotersteuerung) möglich ist, ebenso wie die Übernahme andernorts gewonnener Informationen und Parametereinstellungen.
Zudem ist vorteilhaft, dass über das Display eine unmittelbare Interaktion mit dem Bediener möglich ist, z. B. durch direktes Berühren (Knopfdruck, Touchscreen) aber auch durch Spracherkennung, Gestensteuerung oder einer Kombination dieser oder vergleichbarer Technologien unter Ausnutzung kognitiver Methoden und Analysen.
Außerdem ist vorteilhaft, dass über das Display unmittelbare Rückmeldungen an den Bediener am Greifsystem ausgegeben werden können, auch Alarm- und Fehlermeldungen, Hinweise zu möglichen Bearbeitungsfehlern, möglicherweise vergessenen oder nicht korrekt ausgeführten Arbeitsschritten.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass über das Greifsystem die Auslösung von Logistikprozessen und die Materialbeistellung eröffnet wird und diese auch um eine Gegenprüfung ergänzt werden kann.
Beispiel gemäß den 2 bis 5: Montagesequenz mit interaktiver Menüführung unter Ausnutzung kognitiver Fähigkeiten
In der 2 ist ein Greifsystem 10 mit einem Endeffektor 12 dargestellt, der mittels Sensoren 13, insbesondere mittels einer Kamera einen im Umfeld des Endeffektors 12 vorgesehenes Werkstück 14 lokalisiert. Das Greifsystem 10 informiert den Werker durch Anzeige auf dem Display 11 über Lage des Werkstücks 14, vermisst die Größe des Werkstücks 14, identifiziert das Werkstück 14 und leitet die Bereitstellung der Montageinformationen ein. Die Montageinformationen werden auf dem Display 11 angezeigt.
In der 3 wird das Werkstück 14 mittels des Greifsystems 10 vom Roboter positioniert, wobei das Greifsystem 10 die Einbausituation überprüft und den Werker auf dem Display 11 um eine Feinpositionierung des Werkstücks 14 bittet; der Werker quittiert interaktiv „Verstanden“ und bewegt das Greifsystem 10 samt Werkstück 14 an die vorgesehene Position leitet die nächsten Schritte ein.
In 4 erkennt das Greifsystem 10 den Bedarf einer Schraube und lädt die erforderlichen Verarbeitungs- und Prüfdaten hinzu, beispielsweise aus einer Datenbank, einem ERP-System oder einer Cloud-Umgebung. Diese Daten werden dem Werker auf dem Display 11 dargeboten. Der Werker quittiert die zur Kenntnisnahme der Daten und leitet die nächsten Schritte ein.
Gemäß 5 unterstützt das Greifsystem 10 den Montageprozess und liefert hierbei auch Steuerungsinformationen an den Werker und an den Roboter. Parallel überprüft das Greifsystem 10 mit den integrierten Sensoren und Kameras den Bearbeitungsprozess und informiert über die Erledigung des Arbeitsprozesses den Nutzer (per Visualisierung auf dem Display 11) und eine übergeordnete Steuerung (per Cloud-Transfer oder an ERP).
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein in den Patentansprüchen definiertes Verfahren zum Betreiben eines Greifsystems. Ein solches Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Analyse- und Steuereinheit in Abhängigkeit von dem mit den Sensoren erfassten Greifumfeld durch das Kommunikationssystem Informationen zur Werkerassistenz bereitstellt. Weitere Verfahrensschritte können vorgesehen sein, so wie sie in den wie sie in den Kennzeichenteilen wenigstens eines der Ansprüche 2-19 genannt sind.

Claims

Greifsystem mit einem Endeffektor, mit Sensoren zur Erfassung des Greifumfeldes, mit einer Analyse- und Steuereinheit, mit einem im Endeffektor vorgesehenen Kommunikationssystem, wobei das Greifsystem derart eingerichtet ist, dass die Analyse- und Steuereinheit in Abhängigkeit von dem mit den Sensoren erfassten Greifumfeld durch das Kommunikationssystem Informationen zur Werkerassistenz bereitstellt.
Greifsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem ein- oder bi-direktionale, und/oder bedarfs- und/oder situationsgerecht Informationen zur Werkerassistenz bereitstellt.
Greifsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren als Kameras, Näherungssensoren und/oder sonstige Sensoren ausgebildet sind.
Greifsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Analyse- und Steuereinheiten, insbesondere in Form von Computern oder Rechnern, im Endeffektor und/oder in einer übergeordneten Einheit vorgesehen sind.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem ein Visualisierungssystem, ein Touch-Screen und/oder ein akustisches System ist oder beinhaltet.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl und Bereitstellung der Informationen mittels kognitiver Analyseverfahren unter Ausnutzung der im Endeffektor integrierten Sensoren und/oder im Arbeitsumfeld des Endeffektors angeordneter Sensoren ausgelöst oder von einem übergeordneten Steuerungssystem, insbesondere einer Robotersteuerung, initiiert wird.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine unmittelbare Interaktion des Endeffektors mit dem Werker über das Kommunikationssystem, Bedienelemente, Schalter oder mittelbar über Systeme zur Gestenerkennung, Sprach- oder sonstigen akustischen Steuerungen erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Möglichkeiten einer unmittelbaren Interaktion des Endeffektors mit dem Werker über ein Berechtigungssystem flexibel gestaltet und/oder bedarfsgerecht angepasst wird, wobei über die Identifikation des Benutzers eine personalisierte Informationsbereitstellung erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine unmittelbare und situationsgerechte Informationsbereitstellung über die im System integrierten Visualisierungssysteme erfolgt, insbesondere Überprüfungshinweise, hilfreiche Zusatzinformationen zur Systembedienung und Workflowunterstützende Hinweise zur Arbeitsschrittgestaltung.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein unmittelbarer Informationsaustausch zwischen den an der Steuerung der kinematischen Wirkkette beteiligten Komponenten und vernetzten Steuereinheiten erfolgt, insbesondere die Weitergabe von Identifikationsdaten, Zeitstempelinformationen und Prüfergebnissen.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine situationsgerechte Bereitstellung von Informationen über integrierte Anzeigeinstrumente erfolgt, insbesondere die Visualisierung von Nachrichten und Meldungen, die Einblendung von Montage-, Arbeits- und Prüfinformationen in Textform, in grafischer Form oder in jeder beliebigen Kombination dieser Visualisierungsformen, insbesondere über Technologie- und Methodenansätze der Augmented Reality, Videoanimationen, Bild- oder Videosequenzen.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstückidentifikation erfolgt und daraus resultierend selbstständig Folgeprozesse eingeleitet, in ihrer Durchführung angepasst und/oder ihre korrekte Erledigung inklusive der aufgenommenen Prüfmessdaten verfolgt werden, und/oder dass eine Weiterleitung von Daten oder Informationen an übergeordnete Steuerungs- oder informationstechnische Analysesysteme erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstückidentifikation erfolgt und daraus resultierend Assistenzaufgaben durch den Endeffektor übernommen werden wie insbesondere die ein- oder mehrsprachige Bereitstellung von Montage-, Prüf- und Verarbeitungsinformationen mit einer zusätzlich möglichen grafischen Visualisierung der Arbeitsabläufe, System- und Meldezustände.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein informationstechnisches Netzwerk oder ein Cloud-System genutzt wird, um Daten und Informationen zur Werkstückbearbeitung und - handhabung am Endeffektor bereitzustellen oder von diesem ausgehend an andere Netzwerkteilnehmer zu versenden.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensordaten und Sensorfusionen aus dem Greifer- oder Endeffektor-Umfeld erfasst und analysiert werden, um eine korrekte Prozessführung zu überwachen, um die Prozessergebnisse zu überprüfen und/oder um den Werker interaktiv zu unterstützen, indem insbesondere bedarfs- und situationsgerechte Zusatzinformationen bereitgestellt oder angezeigt werden.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensordaten und Sensorfusionen aus dem Greifer- oder Endeffektor-Umfeld erfasst und analysiert werden, um eine Szeneninterpretation vorzunehmen und um daraus die Parameter für die Werkstückannäherung zu gewinnen, die ideale Greifposition abzuleiten, ein geeignetes Greifmodell, die optimale Auswahl und/oder Ausrichtung der Greiffinger zu wählen.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Greifsystem- oder Netzwerkparametrierungen von vergleichbaren Einsatzszenarien, Greifwerkzeugen oder Prozesssequenzen übernommen werden und diese unmittelbar genutzt oder nach weiterer Optimierung insbesondere unter Nutzung von Methoden des maschinellen Lernens, eingesetzt werden.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem früheren Zeitpunkt erlernte Verarbeitungssequenzen und Prüfergebnisse von vergleichbaren Greifsituationen und Greifwerkzeugen aus einer Wissensdatenbank, einem Wissensnetzwerk oder einem Cloud-basierenden Service bereitgestellt werden.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale der Sensoren fortlaufend analysiert und bewertet werden, um allgemeine Betriebszustände, Zustände des Greifsystems oder unter Nutzung statistischer Methoden ermittelte Prozesskenndaten zu bestimmen und diese Statusinformationen an weitere elektrische, elektronische oder informationstechnische Systeme weitergegeben werden, um darauf basierend Prozesse optimal zu gestalten und/oder die Funktion aller genutzten Systeme zu diagnostizieren.
Verfahren zum Betreiben eines Greifsystems nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse- und Steuereinheit in Abhängigkeit von dem mit den Sensoren erfassten Greifumfeld durch das Kommunikationssystem Informationen zur Werkerassistenz bereitstellt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren einen oder mehrere weitere Schritte aufweist, wie sie in den Kennzeichenteilen wenigstens eines der Ansprüche 2-19 genannt sind.