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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein insbesondere auf der Vakuumtechnik basierende Greifersysteme für die dynamische Handhabung von Gegenständen.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrifft diese insbesondere einen als Vakuumsauger ausgeführten Sauggreifer. Gemäß anderen Ausführungsformen betrifft die Erfindung einen Innengreifer mit einem Greifbalg als Greiforgan.
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Sauggreifer werden dazu benötigt, um Gegenstände anzusaugen, anzuheben und an einen anderen Ort verbringen zu können. Hierfür weist ein Sauggreifer in der Regel mindestens einen flexiblen Saugnapf als Greiforgan auf, der einen an eine Unterdruckquelle anschließbaren Saugraum begrenzt und einen eine Saugöffnung umgrenzenden vorderen Endbereich sowie einen gegenüberliegenden hinteren Endbereich aufweist. Die Saugöffnung des Saugnapfes ist in der Regel mit einer Dichtlippe gebildet, die an der Oberfläche des zu handhabenden Gegenstandes anliegt bzw. anlegbar ist und dann zwischen den Saugnapf und der Oberfläche des Gegenstandes einen Saugraum umschließt, welcher entsprechend evakuiert werden kann. Dadurch legt sich der Saugnapf dicht an die Oberfläche des Gegenstandes an und hält diesen pneumatisch fest.
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Insbesondere bei der Handhabung von Blechen, zum Beispiel in der Automobilindustrie, haben sich derartige Sauggreifer bewährt.
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Zur Handhabung von insbesondere hohlen Gegenständen, wie beispielsweise Flaschen, kommen hingegen in der Regel sogenannte Innengreifer zum Einsatz. Eine Ausführungsform eines solchen Innengreifers ist zumindest dem Prinzip nach beispielsweise aus der Druckschrift
WO 2014/053541 A1 bekannt.
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Derartige Innengreifer weisen als Greiforgan einen Greifbalg aus einem elastischen Material auf. Durch Betätigen des Innengreifers wird der Greifbalg komprimiert, infolgedessen sich dieser in radialer Richtung ausdehnt und so ein Greifen eines hohlförmigen Gegenstands ermöglicht.
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Losgelöst von der speziellen Ausführungsform eines pneumatischen Greifers ist es insbesondere dann, wenn dieser im Zusammenhang mit Industrierobotern zum Handhaben verschiedenartiger Gegenstände eingesetzt wird, unumgänglich, dass eine maximale Zuverlässigkeit des Greifers zu jeder Zeit gegeben ist. Andererseits sollen derartige Greifer eine kompakte Bauform und im Verhältnis zu einer hohen Greifkraft ein möglichst geringes Gewicht aufweisen, damit sie insbesondere auch in der Robotertechnik als Robotergreifwerkzeug vielseitig eingesetzt werden können.
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Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem Greifer, bei welchem die Funktionsweise des Greifers in zuverlässiger Weise überwacht werden kann, ohne dass dadurch eine aufwendige Sensorik zum Einsatz kommen muss.
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Von daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Greifer, insbesondere pneumatisch betätigbaren Greifer, zum Handhaben von Gegenständen anzugeben, bei dem in einer einfach zu realisierenden Weise sichergestellt werden kann, dass ein Greifvorgang stets nach einem vorab festgelegten oder festlegbaren Ereignisablauf stattfindet, ohne dass hierzu die einzelnen Komponenten des Greifers individuell und regelmäßig zu überprüfen sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterbildungen des dort angegebenen Greifers in den entsprechenden abhängigen Patentansprüchen angegeben sind.
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Demgemäß betrifft die Erfindung insbesondere einen Greifer, welcher beispielsweise als pneumatisch betätigbarer Greifer ausgeführt ist und zum Handhaben von Gegenständen dient. Der erfindungsgemäße Greifer weist ein flexibles Greiforgan mit einem Elastomerkörper auf, welcher derart ausgebildet ist, dass sich dieser bei Betätigung des Greifers verformt. Als flexibles Greiforgan kommt beispielsweise ein flexibler Saugnapf (bei einem als Sauggreifer ausgebildeten Greifer) oder ein flexibler Greifbalg (bei einem als Innengreifer ausgebildeten Greifer) in Frage.
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Erfindungsgemäß ist der Elastomerkörper des flexiblen Greiforgans zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, dessen spezifischer elektrischer Widerstand bei Zug-, Druck- und/oder Torsionsbelastung variiert.
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Insbesondere ist ferner vorgesehen, dass dem Greifer eine Widerstandssensoreinrichtung zugeordnet ist zum Erfassen einer elektrischen Leitfähigkeit oder eines elektrischen Widerstands des elektrisch leitfähigen Materials des Elastomerkörpers.
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Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbaren Vorteile liegen auf der Hand: indem der Elastomerkörper des zu dem Greifer gehörenden Greiforgans zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, kann das Material des Elastomerkörpers und im übertragenen Sinne der Elastomerkörper selber als Teil einer Sensorik verwendet werden, welche ausgebildet ist, direkt oder indirekt einen Lastwechsel, dem der Elastomerkörper unterzogen ist, zu ermitteln oder abzuschätzen. Bei diesem Lastwechsel, dem der Elastomerkörper unterzogen ist, handelt es sich insbesondere um eine auf den Elastomerkörper des Greiforgans wirkende mechanische Zug-, Druck- oder Torsionsspannung, die anliegt, wenn der Greifer betätigt wird und/oder wenn der Greifer mit einem zu handhabenden Gegenstand zusammenwirkt.
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Demnach kann mit Hilfe der in dem Material des Greiforgans zumindest bereichsweise oder teilweise integrierten Sensorik wirksam die Funktionsweise des Greiforgans überwacht werden, und zwar indem beispielsweise mit Hilfe der Widerstandssensoreinrichtung über einen vorab festgelegten oder festleg baren Zeitraum bei einer Betätigung des Greifers auftretende Belastung des Elastomerkörpers des Greiforgans erfasst wird. Daraus kann ein Gesamt-Lastwechsel oder eine Gesamt-Belastung des Elastomerkörpers oder anderer Komponenten des Greifers ermittelt werden. Insbesondere kann dann eine eine Wartung und/oder einen Austausch des Elastomerkörpers oder einer anderen Komponente des Greifers, betreffende Information in Abhängigkeit von dem ermittelten Gesamt-Lastwechsel und/oder der ermittelten Gesamt-Belastung ausgegeben werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es mit der Widerstandssensoreinrichtung möglich, eine bei Betätigung des Greifers unter Umständen auftretende Degeneration des Elastomermaterials des Elastomerkörpers frühzeitig zu erkennen.
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Insbesondere kann somit mit der Widerstandssensoreinrichtung und dem elektrisch leitfähigen Material des Elastomerkörpers, welcher Teil einer Sensorik darstellt, wirksam das Auftreten von Betriebszuständen erfasst werden, welche zu einer insbesondere nicht unmittelbar ersichtlichen Be- oder Vorschädigung des Greiforgans des Greifers führen. Auch kann aufgrund des Vorsehens dieser Sensorik (Widerstandssensoreinrichtung in Kombination mit dem elektrisch leitfähigen Material des Elastomerkörpers) auf eine Sichtprüfung bei der Überwachung des Greifers bzw. des flexiblen Greiforgans verzichtet werden.
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Darüber hinaus sind mit der Widerstandssensoreinrichtung und dem elektrisch leitfähigen Material des Elastomerkörpers wirksam etwaige Abnutzungen oder Vorschädigungen von anderen Komponenten, insbesondere des Greifers, erfassbar, wie insbesondere Abnutzungen von in dem Greifer zum Einsatz kommenden Dichtungen. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, da diese Komponenten in der Regel nicht frei zugänglich sind und somit eine Überprüfung durch Sichtprüfung sehr aufwändig wäre.
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Insbesondere kann mit der erfindungsgemäßen Lösung frühzeitig und sicher eine Vorschädigung von Komponenten des Greifers erkannt und signalisiert werden, um dadurch mögliche Folgeschäden und damit verbundene Ausfälle des Gesamtsystems durch nichtplanmäßige Instandhaltungsmaßnahmen zu vermeiden. Die hierzu zum Einsatz kommende Sensorik in Gestalt der Widerstandssensoreinrichtung in Kombination mit dem elektrisch leitfähigen Material des Elastomerkörpers zeichnet sich durch einen kompakten und kostengünstigen Aufbau aus, so dass eine freie Zugänglichkeit der zu überwachten Bauteile des Greifers und insbesondere des Elastomerkörpers des Greiforgans nicht mehr notwendig ist.
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Zudem kann eine betriebsinterne Diagnose realisiert werden, um eine regelmäßige Kontrolle zu ermöglichen und die Wartung zu vereinfachen. Bei einer solchen betriebsinternen Diagnose erfolgt von einem Leitsystem eine automatische Abfrage der Widerstandssensoreinrichtung bzw. einer der Widerstandssensoreinrichtung zugeordneten Auswerteeinrichtung.
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Dadurch, dass mit Hilfe der Widerstandssensoreinrichtung eine elektrische Leitfähigkeit oder ein elektrischer Widerstand des elektrisch leitfähigen Materials des Elastomerkörpers erfasst wird, wobei diese Daten anschließend einer weiteren Auswertung zu Grunde gelegt werden, kann insbesondere auch auf externe Sensoren, beispielsweise Dehnungssensoren (Dehnungsmessstreifen oder Dehnungsaufnehmer), verzichtet werden. Insbesondere ist es mit der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich, entsprechende Sensoren an bestehende Strukturen von außen zu befestigen, wie beispielsweise anzuschrauben, infolgedessen in struktureller Hinsicht die Komponenten und insbesondere der Elastomerkörper des Greiforgans verändert werden müsste. Auch beeinflusst das elektrisch leitfähige Material des Elastomerkörpers, welches im übertragenen Sinne die Funktion eines Dehnungssensors übernimmt, nicht die dynamische Eigenschaft des Elastomerkörpers, so dass diese unangetastet bleibt.
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Zur Ausbildung des elektrisch leitfähigen Bereichs im Material des Elastomerkörpers kommen verschiedene Lösungen in Frage. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das elektrisch leitfähige Material bzw. der elektrisch leitfähige Bereich im Material des Elastomerkörpers durch mindestens ein insbesondere metall- oder kohlenstoffbasiertes Füllstoffnetzwerk in einem Polymermaterial gebildet wird. Das Füllstoffnetzwerk wird insbesondere durch metall- oder kohlenstoffbasierte Füllstoffpartikel gebildet, die in einer Matrix des Polymermaterials aufgenommen sind. Dabei ist es von Vorteil, dass das Polymermaterial des elektrisch leitfähigen Materials mit einem Polymermaterial übereinstimmt, aus welchem der Elastomerkörper gebildet ist. Auf diese Weise wird durch die Integration der „Sensorik“ in den Elastomerkörper das dynamische Verhalten des Elastomerkörpers nicht beeinflusst.
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Grundsätzlich ist es möglich, zur Ausbildung des elektrisch leitfähigen Materials im Elastomerkörper rußbeschichtete Fäden, Rußdispersionen (Ruß-Tinte, Ruß-Paste, rußhaltige Lösungen), Fäden, die mit Ruß-Tinte oder Ruß-Paste benetzt wurden, leitende (vernetzte) Gummifäden oder ähnliche Elemente einzusetzen.
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Allerdings besteht dabei die Gefahr, dass das dynamische Verhalten des Elastomerkörpers verändert wird.
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Um das dynamische Verhalten des Elastomerkörpers vollständig unangetastet halten zu können, ist es von Vorteil, wenn leitende Füllstoffe, wie CNT (=Carbon Nanotubes), Graphen, Graphit oder Metallpulver, insbesondere amorphes Zinnoxid, in das Polymermaterial des Elastomerkörpers eingebettet werden.
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Gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden leitfähige Materialien, wie Ruß, Graphit, Carbon, Carbon Nanotubes, Kupfer, Gold, Silber, etc. in die Polymermatrix eingearbeitet. Ab einem bestimmten Füllgrad bilden diese Polymere ein elektrisch leitfähiges Netzwerk. Wird das Polymermaterial einer Zug-, Druck- oder Torsionsbelastung ausgesetzt, so verändert sich der Widerstand aufgrund der Querschnittsverengung und der Veränderung der Partikelverteilung in der Polymermatrix. Durch diesen Aufbau können verschiedene Ausdehnungen des Elastomerkörpers gemessen werden. Untersuchungen haben in diesem Bereich ergeben, dass das elastische und elektrisch leitfähige Material des Elastomerkörpers als Sensormaterial zur Feststellung und Messung von Zugbelastung oder Druckbelastung eingesetzt werden kann. Die sensorischen Eigenschaften verbessern sich bei zunehmenden Füllgrad des Polymermaterials, obgleich sich die mechanischen Eigenschaften des ursprünglichen Polymermaterials verschlechtern können.
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Aus diesem Grund ist es von Vorteil, wenn nicht das gesamte Polymermaterial des Elastomerkörpers mit entsprechenden leitfähigen Partikeln versetzt wird, sondern nur einzelne Bereiche des Polymermaterials mit einem entsprechenden Füllstoffnetzwerk versehen werden. In vorteilhafter Weise liegen diese Bereiche in einem Bereich des Elastomerkörpers, durch den beim Betätigen des Greifers mindestens ein vorab berechneter Lastpfad verläuft. Die sensorischen Eigenschaften dieses elektrisch leitfähigen Bereichs des Elastomerkörpers werden dann mit der Widerstandssensoreinrichtung ausgenutzt, um entsprechende Daten, die indikativ für einen auf den Elastomerkörper einwirkenden bzw. eingewirkten Lastwechsel und/oder indikativ auf eine Degeneration des Materials des Elastomerkörpers sind.
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Gemäß Realisierungen des erfindungsgemäßen Greifers ist vorgesehen, dass die Widerstandssensoreinrichtung ausgebildet ist, die elektrische Leitfähigkeit und/oder den elektrischen Widerstand zwischen mindestens zwei Messpunkten im elektrisch leitfähigen Material des Elastomerkörpers zu erfassen, wobei hierzu die Widerstandssensoreinrichtung mindestens einen vorzugsweise potentialfrei arbeitenden Messaufnehmer aufweist. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang denkbar, dass die vorzugsweise potentialfrei arbeitenden Messaufnehmer derart angeordnet sind, dass der elektrische Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Materials im Elastomerkörper über verschiedene Raumachsen bestimmt wird, um so eine Aussage über Zugbelastungen oder Druckbelastungen bzw. Dehnungsbelastungen des Elastomerkörpers in unterschiedlichen Raumachsen erhalten zu können.
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Die Widerstandssensoreinrichtung weist in bevorzugter Weise eine insbesondere kabellos arbeitende Schnittstelleneinrichtung auf, über welche von der Widerstandssensoreinrichtung erfasste und optional ausgewertete Daten vorzugsweise über einen Fernzugriff zumindest teilweise auslesbar sind.
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So ist es beispielsweise denkbar, dass der Widerstandssensoreinrichtung eine entsprechende Auswerteeinrichtung zugeordnet ist, welche ausgebildet ist, die von der Widerstandssensoreinrichtung erfassten Daten bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstandes entsprechend auszuwerten. Zum Auswerten der ermittelten Leitfähigkeits- bzw. Widerstandsdaten werden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diese Messdaten mit entsprechenden Bezugsdaten verglichen, wobei die Bezugsdaten vorzugsweise im Rahmen einer Kalibrierung zuvor aufgenommen wurden. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, dass sich beispielsweise durch mechanischen Verschleiß des Elastomerkörpers die Dehnungseigenschaften des Elastomerkörpers ändern und von einem idealen Zustand (Soll-Zustand) abweichen. Der Grad bzw. das Ausmaß der Änderung bzw. der Abweichung von dem Soll-Zustand kann dann als Indiz für eine fehlerhafte Funktionsweise des Elastomerkörpers bzw. für einen Verschleiß des Elastomerkörpers dienen.
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Potentielle Abweichungen der Funktionsweise des überwachten Elastomerkörpers bzw. ein potentieller Verschleiß des Elastomerkörpers werden somit durch die Widerstandssensoreinrichtung und dem elektrisch leitfähigen Bereich des Materials des Elastomerkörpers, der als Sensormaterial dient, detektiert und Abweichungen von einem erwarteten Soll-Zustand werden entweder über Fehlermeldungen berichtet und/oder über eine Remote-Control-Schnittstelle an einen zuständigen Wartungsservice, insbesondere Fernwartungsservice, übermittelt.
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Die Fernwartung (Remote Maintenance) von Komponenten eines Greifersystems gewinnt beim Support der Hard- und Software von Zulieferern zunehmend an Bedeutung. Durch die immer stärkere Vernetzung der Steuersysteme über das Internet, dem Aufbau von firmeninternen Intranets und herkömmliche Telekommunikationswege (ISDN, Telefon, etc.) erweitern sich die Möglichkeiten der direkten Unterstützung im Support. Nicht zuletzt wegen der Einsparungsmöglichkeiten bei Reisekosten und die bessere Ressourcennutzung (Personal und Technik) werden Produkte der Fernwartung zur Kostensenkung in Unternehmen genutzt. Fernwartungsprogramme ermöglichen es dem entfernt sitzenden Servicetechniker, direkt auf den überwachten Greifer zuzugreifen und dessen Status abzufragen, um vorausschauende Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise Wartungsintervalle, einzuplanen und durchzuführen.
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Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist der Widerstandssensoreinrichtung eine Speichereinrichtung zugeordnet zum Speichern von insbesondere im Betrieb des Greifers in den Elastomerkörper eingeleiteten Dehnungen, Stauchungen und Scherbeanspruchungen bzw. anderer relevanten Informationen und Daten, wobei die Speichereinrichtung insbesondere ausgebildet ist, vorzugsweise alle mit der Widerstandssensoreinrichtung erfassten Daten und Informationen zumindest für eine vorab festgelegte oder festlegbare Zeitperiode dauerhaft zu speichern. Dabei bietet es sich an, dass die Speichereinrichtung ausgebildet ist, vorzugsweise über einen Fernzugriff zumindest teilweise auslesbar zu sein.
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Indem in Hinblick auf den Betrieb des überwachten Elastomerkörpers relevante Informationen und Daten und insbesondere Dehnungen, Stauchungen und Scherbeanspruchungen des Elastomerkörpers im Betrieb des Greifers gespeichert werden, kann der entsprechende Betrieb und die Belastung des Elastomerkörpers dokumentiert werden, um so auch Wartungsintervalle vorhersagend einplanen zu können.
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Insbesondere ist gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der Widerstandssensoreinrichtung eine Speichereinrichtung zugeordnet ist zum Dokumentieren von über einen vorabfestgelegten oder festlegbaren Zeitraum bei im Betrieb des Greifers auf den Elastomerkörper einwirkenden Belastungen (Dehnungen, Stauchungen und Scherbeanspruchungen in unterschiedlichen Raumrichtungen) zu dokumentieren. Es bietet sich in diesem Zusammenhang an, dass eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, um einen Gesamt-Lastwechsel und/oder eine Gesamt-Belastung des Elastomerkörpers zu ermitteln, und zwar auf Grundlage der dokumentierten Belastungen. In diesem Zusammenhang sollte die Auswerteeinrichtung ferner ausgebildet sein, eine eine Wartung und/oder einen Austausch des Elastomerkörpers bzw. einer anderen Komponente des Greifers betreffende Information in Abhängigkeit von dem ermittelten Gesamt-Lastwechsel und/oder der ermittelten Gesamt-Belastung auszugeben.
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Hierbei liegt der Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, dass Komponenten des Greifers, wie beispielsweise der Elastomerkörper, ausgetauscht oder gewartet werden müssen, wenn sich die ertragbaren Belastungen bis zu einem fest definierten Wert aufsummiert haben. Bislang erfolgt eine Überprüfung oder Wartung über eine Dokumentation der wöchentlichen Lastwechsel, was in der Regel auf einer Schätzung basiert. Darin liegt eine große Ungenauigkeit, da tatsächlich nicht genau bekannt ist, wie viele Lastwechsel wirklich stattgefunden haben und wie hoch dabei die Beanspruchung war.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise das Lastkollektiv mitgeschrieben werden, was einen größeren Ausnutzungsgrad der Komponenten des Greifers bzw. des Elastomerkörpers ermöglicht. Dadurch kann insbesondere die Lebensdauer der Komponenten des Greifers erhöht werden. Ferner ist es möglich, dass schon vorher erkannt wird, wann und welche Komponenten des Greifers ausgetauscht werden müssen. Dadurch kann ein entsprechender Ersatz vorab beschafft werden und die Ausfallzeiten werden minimiert und die Prozesssicherheit deutlich erhöht.
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In diesem Zusammenhang ist es grundsätzlich denkbar, dass der Auswerteeinrichtung mindestens eine Anzeigeeinrichtung, insbesondere in Gestalt eines Displays und/oder mindestens einer Lichtquelle, zugeordnet ist zum optischen Anzeigen des ermittelten Gesamt-Lastwechsels und/oder der ermittelten Gesamt-Belastung und/oder entsprechenden Informationen diesbezüglich.
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Alternativ oder zusätzlich bietet es sich an, dass die Auswerteeinrichtung eine digitale Schnittstelle aufweist, insbesondere eine Modbus-, CAN-, CANopen-, IO-Link- und/oder Ethernet-kompatible Schnittstelle, um mit einer externen Vorrichtung entsprechend kommunizieren zu können. Auf diese Weise kann insbesondere eine betriebsinterne Diagnose realisiert werden, um eine regelmäßige Kontrolle zu ermöglichen und eine Wartung zu vereinfachen. Bei einer solchen Diagnose erfolgt vorzugsweise eine automatische Abfrage der Auswerteeinrichtung oder der entsprechenden Widerstandssensoreinrichtung.
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Der mindestens eine Bereich aus dem elektrisch leitfähigen Material ist vorzugsweise in einem Bereich des Elastomerkörpers ausgebildet, welcher im Betrieb des Greifers sich oft wiederholenden Dehnungen, Stauchungen und/oder Scherbeanspruchungen ausgesetzt ist.
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Wie bereits ausgeführt, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise vorgesehen, dass der Bereich mit dem elektrisch leitfähigen Material durch mindestens ein insbesondere metall- oder kohlenstoffbasiertes Füllstoffnetzwerk in einem Polymermaterial gebildet wird, wobei hierzu insbesondere metall- oder kohlenstoffbasierte Füllstoffpartikel zum Einsatz kommen, die in einer Matrix des Polymermaterials aufgenommen sind. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden als Füllstoffe unterschiedliche elektrisch leitfähige Kohlenstoffallotrope eingesetzt, die sich in ihren geometrischen Strukturen unterscheiden können.
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Beispielsweise kann als Füllstoff Ruß (engl.: Carbon Black, CB) verwendet werden, der typischerweise aus nahezu kugelförmigen Partikeln von 50 nm Durchmesser besteht. Die Ausdehnung liegt in allen drei Dimensionen im Nanometer-Bereich. Andererseits können alternativ oder zusätzlich hierzu Kohlenstoffnanoröhrchen (engl.: Carbon Nanotubes, CNT) als Füllstoff verwendet werden, die der Form eines Zylinders gleichen, und die einen Radius im Bereich von wenigen Nanometern und eine Länge, die im Mikrometer-Bereich liegt, aufweisen. Als weiterer Füllstoff können Graphen-Nanoplättchen (engl.: Graphene Nanoplatelets, GNT) eingesetzt werden, deren Struktur einem Plättchen ähnelt. Die Dicke liegt dabei im Bereich von wenigen Nanometern, während die laterale Ausdehnung der Plättchen im Mikrometer-Bereich liegt.
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Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es selbstverständlich aber auch denkbar, wenn zumindest bereichsweise das Füllstoffnetzwerk gebildet wird durch in Elastomermaterial des Elastomerkörpers eingebettete Textile und metallische Festigkeitsträger, welche mit einer elektrisch leitfähigen Faser oder einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sind. In diesem Fall können diese im Elastomermaterial bereits integrierten Textile und metallische Festigkeitsträger als elektrische Leiterbahnen genutzt werden.
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Um einen möglichst autarken Betrieb der Widerstandssensoreinrichtung zu ermöglichen, und um insbesondere aufwendige Verkabelungen der Widerstandssensoreinrichtung zu verhindern, ist insbesondere vorgesehen, dass die Widerstandssensoreinrichtung ausgebildet ist, nur bei vorab festgelegten oder festlegbaren Zeiten und/oder Ereignissen (beispielsweise während eines Greifvorganges) eine elektrische Leitfähigkeit oder einen elektrischen Widerstand des elektrisch leitfähigen Bereiches in dem Elastomermaterial zu erfassen. Beispielsweise ist es in diesem Zusammenhang denkbar, dass die Widerstandssensoreinrichtung aktiviert (getriggert) wird, sobald über eine entsprechende Sensorik das Aktivieren des Greifers erfasst wird.
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Auf diese Weise kann der Verbrauch von elektrischer Energie durch die Widerstandssensoreinrichtung minimiert werden.
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Gemäß Weiterbildungen insbesondere des zuletzt genannten Aspekts weist die Widerstandssensoreinrichtung mindestens einen Generator, insbesondere einen Nano-Generator auf, um das Konzept des „Energy Harvesting“ umzusetzen. Mit diesem Generator, insbesondere Nano-Generator, kann die Widerstandssensoreinrichtung zumindest einen Teil der beim Betrieb der Widerstandssensoreinrichtung von dieser benötigten elektrischen Energie aus der unmittelbaren Umgebung der Widerstandssensoreinrichtung gewonnen werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass mit Hilfe des Nano-Generators aus einer Vibration des Elastomerkörpers entsprechende elektrische Energie gewonnen wird. Zweckmäßigerweise kann zur Übertragung der von der Widerstandssensoreinrichtung gewonnen Informationen an die nächstliegende Datenschnittstelle vorteilhaft eine Low-Power Near-Field-Communication (NFC-)Lösung, beispielsweise ZigBee oder Bluetooth LE oder andere geeignete Standards verwendet werden
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Mit diesem Aspekt ist eine vollkommen drahtlose Realisierung der Widerstandssensoreinrichtung denkbar, wobei Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien und/oder kabelgebundene Kommunikationstechniken vermieden werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das elektrisch leitfähige Material derart in dem Elastomerkörper des Greiforgans angeordnet und ausgerichtet ist, dass mit Hilfe der Widerstandssensoreinrichtung nicht nur eine Belastung oder ein potenzieller Verschleiß des Elastomermaterials detektierbar bzw. ableitbar ist, sondern dass über eine entsprechende Auswerteeinrichtung beispielsweise unter Zuhilfenahme intelligenter Auswertealgorithmen auch Rückschluss auf die Geometrie des gegriffenen Werkstücks möglich ist. Hierbei liegt dieser Weiterbildung die Erkenntnis zu Grunde, dass sich das flexible Greiforgan, wie beispielsweise ein flexibler Greifbalg, in Abhängigkeit von einer Geometrie des gegriffenen Werkstücks bereichsweise unterschiedlich stark verformt. Eine bereichsweise unterschiedliche Verformung des Elastomerkörpers führt zu bereichsweisen spezifischen elektrischen Widerstandsänderungen, die mit Hilfe der Widerstandssensoreinrichtung erfasst und ausgewertet werden können.
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So ist es beispielsweise in einer ersten Umsetzung dieser Weiterbildung denkbar, dass mit dem erfindungsgemäßen Greifer über die Widerstandssensoreinrichtung zumindest erfasst werden kann, ob mit dem Greiforgan ein Werkstück gegriffen ist, oder ob kein Werkstück von dem Greiforgan gegriffen wurde.
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In einer Weiterbildung hiervon ist die Form der Oberfläche detektierbar, und zwar insbesondere eine der Oberflächenarten „eben“, „konvex gewölbt“ oder „konkav gewölbt“.
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Gemäß einer Weiterbildung hiervon wird die mit der Widerstandssensoreinrichtung detektierte Oberflächenart verwendet, um einen Regelprozess zum Regeln des Greifers zu generieren. Beispielsweise kann in Abhängigkeit von der detektierten Oberflächenart über den Regelprozess ein Vakuumlevel und/oder ein Volumenstrom eingestellt werden, um so die zum Greifen notwendigen Parameter, wie bei einem pneumatisch betätigten Greifer insbesondere den Vakuumlevel und/oder den Volumenstrom, an das gegriffene Werkstück anzupassen.
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Wenn beispielsweise der Greifer als Sauggreifer mit einem Greifbalg als Greiforgan ausgebildet ist, kann das Vakuumlevel reduziert werden, wenn ein Werkstück mit einer konvex-gewölbten Oberfläche gegriffen wird, im Vergleich zu dem notwendigen Vakuumlevel bei einem Werkstück mit einer konkav gewölbten Oberfläche oder einer ebenen Oberfläche, da bei einer konvex gewölbten Oberfläche der flexible Greifbalg sicherer, d.h. abdichtender, an der Oberfläche des Werkstücks anliegt.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen exemplarische Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Greifers näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 schematisch eine Draufsicht auf eine erste exemplarische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Greifers von der Blickrichtung eines anzusaugenden bzw. handzuhabenden Gegenstandes;
- 2 schematisch einen teilweisen Querschnitt durch die Ansicht aus 1;
- 3 schematisch und in einer Schnittansicht eine zweite exemplarische Ausführungsform des erfindungsgemä-ßen Greifers in einer Grundstellung; und
- 4 schematisch und in einer Schnittansicht die zweite exemplarische Ausführungsform des erfindungsgemä-ßen Greifers gemäß 3 in einer Vorformungsstellung.
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Die exemplarische Ausführungsform des in 1 und 2 schematisch dargestellten Greifers 100 betrifft einen Sauggreifer, welcher im Wesentlichen aus zwei Teilen besteht, nämlich dem Greiforgan 1 in Gestalt eines Saugnapfes und dem diesen Saugnapf 1 haltenden, vorzugsweise aus Metall gefertigten Saugnapfhalter 2. Das Greiforgan (hier: der Saugnapf 1) weist einen Elastomerkörper auf, bei dem es sich um ein elastisches Formteil aus Gummi, Naturkautschuk oder gummielastischen Material handelt.
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Der Saugnapfhalter 2 weist bei der dargestellten Ausführungsform eine erste, dezentral angeordnete Bohrung 3 zum Anlegen eines Unterdruckes und eine zweite, zentral angeordnete Bohrung 4 zum Anlegen eines Überdruckes zwischen dem Sauggreifer 100 und einem (nicht dargestellten) Werkstück auf, wobei eine oder beide dieser Bohrungen 3, 4 auch dazu dienen können, den Sauggreifer 100 am Ende eines (ebenfalls nicht dargestellten) Manipulators oder Roboterarms zu befestigen.
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Der Saugnapf 1, welcher im Wesentlichen aus dem gummielastischen Material des Elastomerkörpers besteht, weist zu den Bohrungen 3, 4 korrespondierende Öffnungen auf, so dass der angelegte Unter- bzw. Überdruck auch in den dem Werkstück zugewandten Raum gelangen kann.
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Die dem Werkstück zugewandte Oberfläche des Saugnapfs 1 weist verschiedene, im Spritzgussverfahren in den Saugnapf 1 eingebrachte Profilierungen, auf. Zunächst befindet sich zwischen der inneren, zentralen Öffnung 6 des Saugnapfs 1 und dessen Peripherie eine erste umlaufende Dichtung 7, welche den inneren Überdruckbereich von dem äußeren peripheren Unterdruckbereich abgrenzt und abdichtet. Diese Dichtung 7 ist eine schmale, stegförmig aus der Oberfläche des Saugnapfs 1 hervorstehende Dichtung mit zwei Dichtlippen, deren Form man als W-Form beschreiben könnte. Durch die Verwendung von zwei nebeneinanderliegenden Dichtlippen wird eine bessere Abdichtung gewährleistet. Ferner ist von Bedeutung, dass die Dichtung 7 im Wesentlichen senkrecht aus der Oberfläche des Saugnapfs 1 hervorsteht, als während des Ansaugens und Loslassens des Werkstücks keine laterale Bewegung mit entsprechender Reibung auf dem Werkstück vollzieht.
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Im Randbereich des Saugnapfs 1 weist dieser, ebenfalls an seiner dem Werkstück zugewandten und in 1 dargestellten Oberfläche eine weitere umlaufende Dichtung 8 auf, die im Wesentlichen genauso gestaltet ist wie die zuvor genannte Dichtung 7, also die genannte W-Form mit zwei Dichtlippen aufweist und im Wesentlichen senkrecht aus der Oberfläche des Saugnapfs 1 hervorsteht. Diese äußere Dichtung 8 dient der Abdichtung des Vakuums gegenüber der Atmosphäre.
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Wie in 2 schematisch angedeutet, ist bei der ersten exemplarischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Greifers der Elastomerkörper des Greiforgans (Saugnapf 1) bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material 20 gebildet, wobei dieser Bereich 20 als Sensormaterial dient. Das elektrisch leitfähige Material 20 des Elastomerkörpers ist derart ausgebildet, dass sein spezifischer elektrischer Widerstand bzw. seine elektrische Leitfähigkeit bei Zug-, Druck- und/oder Torsionsbelastung des Bereichs 20 aus dem elektrisch leitfähigen Material variiert.
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In vorteilhafter Weise ist der elektrisch leitfähige Bereich 20 des Elastomerkörpers durch ein Füllstoffnetzwerk, welches metall- oder kohlenstoffbasierte Füllstoffpartikel aufweist, gebildet. Das Füllstoffnetzwerk bzw. die Füllstoffpartikel sind in einer Matrix des Polymermaterials aufgenommen, aus welchem auch der übliche Bereich des Elastomerkörpers des Greiforgans (des Saugnapfs 1) gebildet ist.
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Obgleich es der schematischen Darstellung in 2 nicht unmittelbar entnommen werden kann, ist der mindestens eine elektrisch leitfähige Bereich 20 des Materials des Elastomerkörpers in einem Bereich des Elastomerkörpers ausgebildet, in welchem bei Betätigung des Greifers 100 ein Lastpfad vorzugsweise in einer bestimmten Raumrichtung verläuft.
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Die elektrische Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand des als Sensormaterial dienenden Bereiches 20 des Elastomerkörpers wird mit Hilfe einer Widerstandssensoreinrichtung gemessen bzw. erfasst. Hierzu weist die Widerstandssensoreinrichtung mindestens einen vorzugsweise potentialfrei arbeitenden Messaufnehmer auf.
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3 und 4 zeigen in schematischer Schnittansicht eine zweite exemplarische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Greifers, wobei hier der Greifer als Innengreifer 200 ausgeführt ist. In 3 ist ein endseitig an dem Innengreifer 200 angeordnetes elastisches Element 1, welches als Greiforgan dient und als Greifbalg ausgeführt ist, in seiner Grundstellung gezeigt, während in 4 dieses elastische Element 1 in einer Verformungsstellung unter Bildung als Ausbauchung dargestellt ist.
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Der Greifer (Innengreifer 200) gemäß der zweiten exemplarischen Ausführungsform weist innerhalb eines Kolbens eine erste Fluidkammer 13 und eine zweite Fluidkammer 14 auf, welche jeweils hydraulisch oder pneumatisch mit Druck beaufschlagbar sind. Der Greifer (Innengreifer 200) ist im Wesentlichen symmetrisch um seine Längsachse L ausgebildet, welche sich in einer Hauptausdehnungsrichtung des Greifers (Innengreifers 200) erstreckt. In der in 3 gezeigten Grundstellung ist die äußere Umfangsfläche des Greifers (Innengreifers 200) demgemäß einer Zylinderform angenähert.
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Das elastische Element 1, welches als Greiforgan dient und einen entsprechenden Elastomerkörper aufweist, weist eine im Wesentlichen schlauchförmige Struktur mit - auf die Hauptausdehnungsrichtung bezogen - verstärkten Enden und einen diese Enden verbindenden relativ dünneren Mittenbereich auf, und ist aus einem geeigneten Elastomer, wie beispielsweise Gummi, gebildet. Ein erster Anlagebereich 15 am äußeren Ende des Elastomerkörpers liegt an einem ersten Anschlag 16 des Greifers (Innengreifers 200) an; entsprechend liegt ein zweiter Anlagebereich 17 in einem zweiten Anschlag 18 des Greifers (Innengreifers 200) an.
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Bezogen auf einen relativen Bezugspunkt der die Fluidkammer 13, 14 begrenzenden Wandung des Greifers (Innengreifers 200), sind die Anschläge 16, 18 innerhalb eines gleichbleibenden Wirkbereichs in Richtung auf einen Mittenbereich des Elastomerkörpers verschiebbar ausgebildet, wobei während eines derartigen Verschiebvorgangs der Elastomerkörper von seiner in 3 dargestellten Grundstellung in eine in 4 dargestellte Verformungsstellung überführt wird und unter Vergrößerung des Abstandes dieses Mittenbereichs von der Längsachse eine Ausbauchung ausbildet, welche beispielsweise mit einer (in den 3 und 4 nicht dargestellten) Innenwand eines Hohlkörpers in Anlage gebracht werden kann.
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Wie auch bei der ersten exemplarischen Ausführungsform gemäß 1 und 2 ist bei der zweiten exemplarischen Ausführungsform gemäß 3 und 4 vorgesehen, dass der Elastomerkörper bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material 20 gebildet ist, wobei dieser Bereich 20 erneut als Sensormaterial dient und ausgebildet ist, dass sein spezifischer elektrischer Widerstand bzw. seine elektrische Leitfähigkeit bei Zug-, Druck- und/oder Torsionsbelastung des Bereichs 20 aus dem elektrisch leitfähigen Material variiert.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten exemplarischen Ausführungsformen beschränkt, sondern ergibt sich aus einer Zusammenschau sämtlicher hierin offenbarter Merkmale.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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