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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Endeffektor für Systeme zum Greifen und Manipulieren eines Objektes mit Hilfe magnetischer Felder, Verfahren zu seiner Herstellung und Verfahren zum Greifen und Manipulieren eines Objektes, wobei der Endeffektor Komponenten aus Elastomer-Werkstoffen mit unterschiedlichen Verformungseigenschaften aufweist.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl von nachgiebigen Greifern für die Robotertechnik bekannt. So wird z.B. in der
WO2016/141266A1 ein nachgiebiger Robotergreifer beschrieben, der mehrere fingerartige Halteelemente aufweist. Mit dieser Lösung kann sehr feinfühliges Greifen von Objekten realisiert werden, jedoch bedingt die nur kleine Kontaktfläche der Halteelemente den Einsatz gleich mehrerer Aktuatoren mit hohem Druck.
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Daneben ist aus der
CN209368168U die Verwendung eines magnetorheologischen Elastomers (MRE) mit einem eingebetteten Speicherlegierungsdraht bekannt, der als innere Spule fungiert. Mit dem vorgeschlagenen System ist eine Formaufzeichnung realisierbar. Es umfasst einen passiven Empfänger, der mit einem reinen Elastomer-Teil verbunden ist. Damit kann eine bessere Formanpassung nach der Deformation realisiert werden. Nachteilig wirkt sich allerdings hierbei aus, dass die innere Spule eine Temperaturerhöhung im Material bewirkt und somit die Magnetisierung ungünstig beeinflusst.
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Weiterhin ist in der
US9120230B2 ein Greifer mit sich ändernden mechanischen Eigenschaften beschrieben. Bei dieser Lösung umschließt eine dünne flexible Membran ein körniges Material. Dieser Greifer wird pneumatisch aktiviert und arbeitet mit Ventilen. Mit einem derartigen Endeffektor (Kombination aus flexibler Membran mit körnigem Material als Basis zur Nutzung des „jamming effects“) können große Verformungen realisiert werden. Auf demselben Prinzip basiert der aus der
DE102016201541A1 bekannte Greifer, bei dem eine Absaugung der Luft innerhalb der Greifermembran erforderlich ist.
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Auch andere pneumatische Handhabungssysteme, die auf hochelastischen Materialien basieren, wie z. B. in
CN201214247Y oder
DE202007002876U1 beschrieben, erfordern pneumatische Ventile und Aktuatoren und somit einen erhöhten Energieverbrauch.
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Der Lösungsansatz eines magnetisch aktivierbaren flexiblen Greifers wird in CN204076272U /
CN104057461A vorgestellt. Da das hierbei verwendete magnetische Material eine magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) ist, die in einer dünnen flexiblen Membran gekapselt ist, erfolgt die Kraftaufbringung zu Beginn des Greifprozesses nur sehr kurz. Dies ermöglicht das Greifen von weichen Objekten. Jedoch beschränkt die U-förmige Ausführung des Greifers die Geometrie des zu greifenden Objekts und bewirkt eine erhöhte Temperatur im Greifer bzw. im Objekt aufgrund des direkten Kontakts mit der Spule und ihrem magnetischen Wechselfeld. Durch die U-förmige Ausführung wird Wärme auf das MRF übertragen, wodurch sich seine magnetischen Eigenschaften ändern.
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Schließlich wird mit der
KR101896929B1 die Verwendung von zwei MRF-Einheiten vorgeschlagen, wodurch ein konstruktiver Mehraufwand resultiert.
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Aus dem Stand der Technik sind noch weitere Greiferlösungen bekannt.
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So wird beispielsweise in der
DE 102019211269A1 ein Greifer aus einem Material mit einem Ferrofluid vorgeschlagen. Jedoch sind hierbei hohe konstruktive Anforderungen zum Schutz der Umgebung erforderlich.
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Ebenso stellt die mit der
DE102018211728A1 vorgeschlagene Lösung besonders hohe Anforderungen an die Kontaktflächen zwischen Greifer und Objekt und ihre Positionierung zueinander.
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Aus der
DE102018207096A1 ist ein Greifer mit einem aktiven pneumatischen Antrieb bekannt, was jedoch einen erhöhten konstruktiven Aufwand erforderlich macht.
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Weiterhin offenbart die
FR3085878A1 eine Lösung, bei dem das Anheben von Gegenständen mit magnetischen Kräften, jedoch ohne Formschluss, realisiert wird und die
WO2020/160561 A1 einen Greifer, bei dem das Saugelement aus einem magnetischen oder elektromagnetischen Material besteht und das Magnetfeld mit einer Spule erzeugt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden und einen neuartigen Endeffektor für Systeme zum Greifen und Manipulieren von insbesondere vielgestaltigen Objekten mit Hilfe magnetischer Felder und Verfahren zum Greifen und Manipulieren eines Objektes mit geringem energetischen und konstruktivem Aufwand bereitzustellen. Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Endeffektors.
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Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgaben mit den Merkmalen des ersten, neunten, zehnten, elften und dreizehnten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der vorgeschlagene Endeffektor besteht aus mehreren Komponenten, die mit Ausnahme der verwendeten elektrischen Kontakte (8), aus Kondensationssilikonkautschuken (Elastomeren) hergestellt sind. Die Elastomermatrix besteht dabei aus zwei Flüssigkeiten, die beim Mischen und einer definierten Vulkanisationszeit einen festen elastomeren Materialverbund bilden. Insbesondere umfasst der Endeffektor einen flexiblen Verformungshohlkörper (4) aus einem magnetorheologischem Elastomer (MRE), einem Verbundwerkstoff aus einer Elastomermatrix mit eingebetteten magnetischen Partikeln. Diese Magnetpartikel können in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung weiche oder harte Magnetpartikel oder eine Mischung aus beiden sein. Werden hartmagnetische Partikel verwendet, besitzt der Verbundwerkstoff ein inneres Magnetfeld, welches das Ergebnis der Summe der Magnetisierung jedes einzelnen Partikels ist. Dagegen kann mit einem magnetorheologischen Elastomer mit weichmagnetischen Partikeln eine gewünschte Magnetisierung (in Größe und Orientierung) oder ohne Magnetisierung (bezogen auf isotrope Materialeigenschaften) realisiert werden. Für die vorliegende Erfindung wird ein isotropes und homogenes MRE bevorzugt verwendet [1].
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Der flexible Verformungshohlkörper (4) besteht aus einer Silikonöl enthaltenden Silikonkautschukmatrix mit gleichmäßig verteilten weichmagnetischen Partikeln [2] und ist mit einem Trägerelement (6) aus einem härteren Elastomer gekoppelt. Die vom Objekt (13) beim Greifen auf den Endeffektor übertragene Verformung wird als Formanpassungsphase bezeichnet. Aufgrund der ursprünglichen Weichheit des Materials des Verformungshohlkörpers (4) ist seine Reaktionskraft während der Formanpassungsphase gering. Nach dem Ende der Formanpassungsphase wird der Endeffektor mit einem Magnetfeld (12) beaufschlagt, welches das magnetorheologische Elastomer des Verformungshohlkörpers (4) in ein hochsteifes Material wandelt. Dadurch kann der Endeffektor die Form des zu greifenden Objekts (13) aufzeichnen und das Objekt manipulieren (z.B. an einen anderen Ort verbringen).
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Die vorgeschlagene erfindungsgemäße Lösung nutzt die aus [3] bekannte feldinduzierte Plastizität und die in [4] beschriebene Feldversteifung von MRE nach Anlegen eines externen Magnetfeldes. Die Quelle dieses Magnetfelds können ein oder mehrere Permanentmagnete oder eine oder mehrere Spulen sein.
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Zur Erfassung des Beginns der Formanpassungsphase ist der flexible Verformungshohlkörper (4) käfigartig mit streifenförmigen Sensorelementen (3) (sensorische Haut) ummantelt. Dies ermöglicht erforderlichenfalls eine Zentrierung des Endeffektors gegenüber dem zu greifenden Objekt (13).
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An seiner dem Objekt (13) zugewandten Bodenfläche weist der fluidgefüllte Verformungshohlkörper (4) ein passives magnetisches Saugelement (2) auf, welches von dem Kontaktelement (1) aus einem sehr weichen Elastomer umschlossen wird. Dieses erste Kontaktelement (1) ist daher leicht verformbar und gut an die Kontur des zu greifenden Objekts (13) anpassbar.
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Das magnetische Saugelement (2) unterstützt die Fixierung des zu greifenden Objekts (13). Seine Anziehungskraft ist abhängig vom Gradienten des angelegten Magnetfeldes und kompensiert das Gewicht des zu greifenden Objekts (13). Zudem kann mit seiner Hilfe das zu greifende Objekt (13) auch als magnetisch oder nicht magnetisch klassifiziert werden.
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Zur Erkennung des Erreichens der maximal zulässigen Formanpassung des Verformungshohlkörpers (4) umfasst der vorgeschlagene Endeffektor ferner eine elastomere Sensoreinheit, bestehend aus einer elastomeren Sensorschicht (9), die mit Hilfe eines zweiten Kontaktelementes (7) in Wirkverbindung mit elektrischen Kontakten (8) gebracht werden kann. Eine Änderung des elektrischen Widerstands am Endeffektor bewirkt aus Sicherheitsgründen ein Abstoppen der Formanpassungsphase und weiteren Krafteinwirkung auf das zu greifende Objekt (13) [5].
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Das mit dem flexiblen Verformungshohlkörper (4) verbundene elastomere Trägerelement (6) ist weiterhin mit mindestens einer Fluidkammer (5) aus einem weichen Elastomer gekoppelt. In Folge der Druckerhöhung im Verformungshohlkörper (4) während der Formanpassungsphase kann oder können sich die Fluidkammern (5) ausdehnen. Diese Volumenvergrößerung kann passiv sein oder aktuatorisch unterstützt werden. Dies ermöglicht eine bessere Formanpassung des Verformungshohlkörpers (4) im Ergebnis der Formanpassungsphase für eine Vielzahl verschiedengestaltiger Greifobjekte.
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Die einzelnen Komponenten des Endeffektors sind so ausgeführt, dass sie miteinander montierbar sind und erfindungsgemäß aus den folgenden Materialien bestehen:
- • das erste Kontaktelement (1), die mindestens eine Fluidkammer (5) und der zentrale Teilabschnitt des Verschlusselements (11) aus einem weichem Elastomer mit einer ShoreHärte 00 - 20,
- • das Trägerelement (6) und das Verschlusselement (10) aus einem harten Elastomer mit einer ShoreHärte A im Bereich von 7 bis 18,
und
- • der Verformungshohlkörper (4) und das magnetische Saugelement (2) aus einem Verbundwerkstoff aus einer Elastomermatrix mit eingebetteten magnetischen Partikeln.
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Insbesondere werden der Verformungshohlkörper (4) und das magnetische Saugelement (2) aus einer Elastomermatrix mit eingebetteten weichmagnetischen Partikeln hergestellt, wobei der Verformungshohlkörper (4) aus einem magnetorheologischen Elastomer mit 30 Vol.% Eisenpartikel und 40 bis 50 Vol.% Silikonöl und das magnetische Saugelement (2) aus einem magnetorheologischen Elastomer mit 44 bis 55 Vol.% Eisenpartikel sind, wobei die durchschnittliche Größe der Eisenpartikeln zwischen 6 µm und 10 µm liegt Schließlich sind die streifenförmigen Sensorelemente (3) elastomere Schichten mit eingebetteten Kohlenstoff-Partikeln mit einer durchschnittlichen Größe von 25 µm. Jede Komponente kann separat mit Hilfe des Rapid Prototyping hergestellt und nach dem Ausvulkanisieren mit den funktionsbedingt benachbarten Komponenten verklebt werden. Ebenso ist es auch denkbar, den vorgeschlagenen Endeffektor als Gesamtbaugruppe mit Hilfe von 3D-Druckverfahren herzustellen.
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Mit dem vorgeschlagenen Endeffektor können Objekte mit den unterschiedlichsten Oberflächenkonturen autonom gegriffen und manipuliert werden. Er umhüllt das zu greifende Objekt großflächig, so dass der Druck auf die Objekt-Oberfläche verteilt und auch weiche Gegenstände gegriffen werden können.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 - eine Explosionszeichnung des erfindungsgemäßen Endeffektors
- 2 - Zusammenbau-Ansicht des erfindungsgemäßen Endeffektors
- 3 - eine Ansicht des erfindungsgemäßen Endeffektors von unten
- 4 - eine Ansicht des erfindungsgemäßen Endeffektors von rechts
- 5 - eine erste Schnittansicht des erfindungsgemäßen Endeffektors
- 6 - eine zweite Schnittansicht des erfindungsgemäßen Endeffektors
- 7 - das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Endeffektors
- 8 - ein Ausführungsbeispiel eines Endeffektors mit einer Fluidkammer
- 9 - ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Greifer mit mehreren Endeffektoren
- 10 - ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Greifer mit mehreren Endeffektoren
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Änderung der mechanischen Eigenschaften magnetoaktiver Elastomere, die in ein oder mehrere Magnetfelder eingebracht werden. Das Greifverfahren beginnt dabei mit einem Kontakt zwischen dem zu greifenden Objekt (13) und dem ersten Kontaktelement (1), welches an der dem Objekt zugewandten Bodenfläche des Verformungshohlkörpers (4) angebracht ist. Die käfigartig am Verformungshohlkörper aufgebrachten streifenförmigen Sensorelemente (3) erfassen den Ort der anfänglichen Verformung, so dass in der Folge der Endeffektor erforderlichenfalls zum Objekt vorzugsweise senkrecht ausgerichtet werden kann. Der Verformungshohlkörper (4) ist ursprünglich sehr flexibel und ermöglicht die Formanpassung des Endeffektors an das zu greifende Objekt (13). Dagegen besitzt das Trägerelement (6) ein höheres Elastizitätsmodul als der Verformungshohlkörper (4) und wird folglich durch den entstehenden Verformungsdruck nicht verformt. Um den in der Formanpassungsphase entstehenden Fluiddruck zu reduzieren bzw. auszugleichen, ist das Trägerelement (6) mit mindestens einer hochelastischen elastomeren Fluidkammer (5) gekoppelt.
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Zur Erfassung einer maximal zulässigen Formanpassung des Verformungshohlkörpers (4) weist der Endeffektor eine Sensoreinheit mit einer elastomeren Sensorschicht (9) auf. Als zweites Kontaktelement (7) kann beispielsweise eine elastomere Halbkugel verwendet werden, mit deren Hilfe die elastomere Sensorschicht (9) in Wirkverbindung mit den elektrischen Kontakten (8) gebracht werden kann. Wird nun eine Änderung des elektrischen Widerstands der elastomeren Sensorschicht (9) erfasst, wird zur Vermeidung von Beschädigungen des Objektes (13) die Formanpassungsphase gestoppt.
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Um ein Austreten des Fluides aus dem Endeffektor zu vermeiden, ist das Trägerelement (6) mit einem Verschlusselement (10) aus einem harten Elastomer abgedichtet. Ein zentraler Teilabschnitt dieses Verschlusselements (11) besteht aus einem weichem Elastomer. Dies ermöglicht eine leichte Verformung der elastomeren Sensorschicht (9) bei steigendem Fluiddruck.
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Im Anschluss an diese Formanpassungsphase wird der Endeffektor, insbesondere der Verformungshohlkörper (4), mit einem Magnetfeld (12) beaufschlagt, so dass aufgrund der feldinduzierten Plastizität und der Feldversteifung des Materials die Formanpassung abgeschlossen und eine Manipulation des Objektes (13) möglich wird. Während der Einwirkung des Magnetfeldes (12) auf den Endeffektor unterstützt das passive magnetische Saugelement (2) zusätzlich das Greifen und Halten des Objektes. Nach dem Entfernen des Magnetfelds (12) kann das Objekt (13) an der gewünschten Position gehalten werden und die ursprüngliche Form des Endeffektors wird durch den Druckausgleich im Fluid innerhalb der Fluidkammern (5) wiederhergestellt. Nach dem Abschalten des Magnetfelds (12) kehren alle Elemente des Endeffektors, einschließlich des Verformungshohlkörpers (4), mit vernachlässigbaren kleinen Änderungen der mechanischen oder magnetischen Eigenschaften in ihren ursprünglichen Zustand zurück (reversibler Prozess).
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Die vorliegende Erfindung liefert die konzeptionelle Idee und einen Prototyp für einen neuartigen Endeffektor. Der Prototyp umfasst eine definierte Quelle magnetischer Aktivierung sowie spezielle Geometrien für die mindestens eine passive Fluidkammer. Schließlich werden Manipulationssysteme mit mehreren, gruppenweise angeordneten Endeffektoren gezeigt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass nur ein einziger Endeffektor für das Greifen und Manipulieren von vielgestaltigen Objekten erforderlich ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Kontaktelement
- 2
- magnetisches Saugelement
- 3
- streifenförmige Sensorelemente
- 4
- Verformungshohlkörper
- 5
- Fluidkammer
- 6
- Trägerelement
- 7
- zweites Kontaktelement (halbkugelförmig)
- 8
- elektrische Kontakte
- 9
- elastomere Sensorschicht
- 10
- Verschlusselement
- 11
- zentraler Teilabschnitt des Verschlusselements
- 12
- Magnetfeld
- 13
- zu greifendes Objekt
- 14
- Auflage für das Objekt
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Literaturliste
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- [1] - J. Chavez Vega, T. Kaufhold, V. Böhm, T. Becker, K. Zimmermann, M. Martens, M. Schilling, T. Gundermann, S. Odenbach, Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, Wiley-VCH, Weinheim 2017
- [2] - J. Chavez Vega, P. Schorr, M. Scharff, F. Schale, V. Böhm, and K. Zimmermann. „Towards magnetosensitive elastomers based endeffectors for gripping application technologies“. In 2019 IEEE International Conference on Mechatronics (ICM), Ilmenau, March, 1820, 2019, pages 217-222
- [3] - P. Melenev, Y. Raikher, G. Stepanov, V. Rusakov, and L. Polygalova. Modeling of the Field-Induced Plasticity of Soft Magnetic Elastomers. Journal of Physics: Conference Series 149, 2009
- [4] - Y. Han, W. Hong, and L. Faidley. Field-stiffening effect of magnetorheological elastomers. International Journal of Solids and Structures, 50(07):2281- 2288, 2013
- [5] - N. Prem, J. Chavez Vega, V. Böhm, D. Sindersberger, G.J. Monkman and K. Zimmermann. Properties of Polydimethylsiloxane and Magnetoactive Polymers with Electroconductive Particles. Macromolecular Chemistry and Physics, 219(18):1800222, 2018
