DE102021112510B3

DE102021112510B3 - Robotischer Greifer und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102021112510B3
Application number: DE102021112510.3A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Wolf
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2041-05-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen robotischen Greifer mit mindestens einem Finger, der eine Fingerkuppe (10) aufweist, wobei die Fingerkuppe (10) eine elastische Außenhülle (12) aufweist, die mit einem Fluid (14) befüllt ist, wobei die Füllmenge des Fluids (14) zur Einstellung der Elastizität der Fingerkuppe (10) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fingerkuppe (10) eine Saugdüse (16) aufweist, durch die zwischen der Fingerkuppe (10) und einem durch die Fingerkuppe zugreifenden Objekt (18) ein Unterdruck erzeugbar ist. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines robotischen Greifers.

Description

Die Erfindung betrifft einen robotischen Greifer sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.
In der Robotik stellt das sichere Greifen und Manipulieren von Objekten ein nicht triviales Problem dar. Insbesondere die Gestaltung der Kontaktflächen und die Ausprägung der Endeffektoren kann beim Greifen und der Interaktion mit Objekten eine große Rolle spielen. Zu greifende Objekte können beispielsweise verschiedene Eigenschaften hinsichtlich ihrer Gestalt, der Reibeigenschaften ihrer Oberfläche, Elastizität etc. aufweisen, sodass sich die Wahl eines richtigen Greifers schwierig gestalten kann. Wünschenswert wäre ein robotischer Greifer, der mit möglichst vielen Situationen und Gegenständen verwendet werden kann.
Informationen zum Stand der Technik können folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:

DOI: 10.1109/ROBIO.2017.8324446
DOI: 10.1109/iros.2017.8202288
DOI: 10.1109/TRO.2018.2880094
DOI: 10.1109/IROS.2013.6697153
WO 2015/ 112 815 A1
DOI: 10.1186/s10033-018-0290-x
DE 10 2014 223 118 A1
US 2014/0197652 A1

Ein robotischer Greifer mit einer flexiblen Fingerkuppe kann JP 2012-236 240 A entnommen werden. Weiterer Stand der Technik ist bekannt aus den folgenden Druckschriften:

US 2020 / 0 215 701 A1
US 10 946 532 B2
US 10 702 995 B2
US 2012/ 0 038 180 A1
WO 2021/ 097 145 A1

Aufgabe der Erfindung ist es, einen robotischen Greifer und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen bereitzustellen, durch die ein sicheres Greifen von möglichst vielen verschiedenen Objekten in unterschiedlichen Greifsituationen ermöglicht wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7.
Erfindungsgemäß weist der robotische Greifer mindestens einen Finger auf, der eine Fingerkuppe aufweist. Die Fingerkuppe hat eine flexible, insb. elastische Außenhülle, die mit einem Fluid befüllt ist. Hierbei kann es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln. Die Füllmenge des Fluids ist zur Einstellung der Form und insbesondere der Elastizität der Fingerkuppe veränderbar. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass mittels einer Pumpe Fluid in die Fingerkuppe hinein und wieder aus dieser hinaus gepumpt werden kann. Bei einer Erhöhung des Fluidvolumens in der Fingerkuppe wird ihre Steifigkeit erhöht, während die Fingerkuppe bei einer Reduzierung des Fluidvolumens elastischer wird.
Erfindungsgemäß weist die Fingerkuppe eine Saugdüse auf, durch die zwischen der Fingerkuppe und einem durch die Fingerkuppe gegriffenem Objekt ein Unterdruck erzeugbar ist.
Durch die Einstellung der Füllmenge des Fluids kann die Fingerkuppe besonders gut an verschiedene zu greifende Objekte angepasst werden. Beispielsweise kann die Fingerkuppe durch Befüllen mit Fluid in eine konvexe Form überführt werden, sodass Kräfte in verschiedenen Winkeln abhängig von der Oberflächennormalen am jeweiligen Berührungspunkt auf ein zu greifendes Objekt aufgebracht werden können. Eine konvexe Fingerkuppe kann somit flexibel eingesetzt werden. Gleichzeitig bietet der erfindungsgemäße robotische Greifer die Möglichkeit, die Fingerkuppe durch Reduzieren der Füllmenge des Fluids konkav auszubilden. In diesem Zustand kann die Saugdüse betätigt werden, sodass zwischen der Fingerkuppe und einem zu greifenden Objekt ein Hohlraum mit einem Unterdruck erzeugbar ist. Der erfindungsgemäße robotische Greifer kann somit auch im Saugbetrieb besonders effektiv eingesetzt werden.
Es ist möglich, den erfindungsgemäßen Greifer passiv, das heißt ohne Druck, zu betreiben. Alternativ ist ein Über- oder Unterdruckbetrieb möglich. Als dritte Alternative ist ein saugender Betrieb möglich. Somit können auch Zugkräfte auf ein Objekt ausgeübt werden.
Es ist bevorzugt, dass die Eigensteifigkeit der elastischen Außenhülle im Bereich um die Saugdüse geringer ist als die Steifigkeit an den weiter außen befindlichen Flanken der Außenhülle. Hierdurch kann die Ausformung des Saugnapfes vereinfacht werden.
Die unterschiedliche Steifigkeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Außenhülle im Bereich um die Saugdüse eine geringere Materialstärke aufweist als an den weiter außen befindlichen Flanken der Außenhülle.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass ein Teil des Innenvolumens der Fingerkuppe mit einem Granulat befüllt ist. Hierdurch kann eine homogenere Druckverteilung und eine Abstützung im Unterdruckbetrieb, das heißt bei zusammengedrückter Fingerkuppe, erreicht werden.
Im nicht-saugenden Betrieb kann die Elastizität der Fingerkuppe durch einen Überdruck oder einen Unterdruck innerhalb der Fingerkuppe verändert werden.
Vorzugsweise wird dieselbe Pumpe verwendet, um Fluid in die Fingerkuppe hinein oder aus dieser hinaus zu befördern und um einen Unterdruck durch die Saugdüse zu erzeugen. In dieser Ausgestaltung wird als Fluid ein Gas, vorzugsweise Luft verwendet. Alternativ kann auch eine separate Pumpe verwendet werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren eines robotischen Greifers, wie er in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist. Es finden die folgenden Verfahrensschritte statt:

a) Die Füllmenge des Fluids aus der Fingerkuppe wird reduziert. Hierdurch wird die Fingerkuppe in eine konkave Form gebracht.
b) Die Fingerkuppe wird auf einem zu greifenden Objekt platziert und die Saugdüse wird betätigt. Zwischen der Fingerkuppe und dem zu greifenden Objekt entsteht somit ein Unterdruck. Um ein gegriffenes Objekt leichter loslassen zu können, ist es möglich, die Kontaktfläche zwischen der Fingerkuppe und dem Objekt durch Erzeugen eines Überdrucks in der Fingerkuppe zu verkleinern. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, Gas aus der Saugdüse auszublasen und zwischen der Fingerkuppe und dem Objekt einen Überdruck zu erzeugen, sodass das Objekt leichter losgelassen werden kann.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:

1 eine Fingerkuppe gemäß der vorliegenden Erfindung im nicht-saugenden Betrieb
2 eine Fingerkuppe gemäß der vorliegenden Erfindung im saugenden Betrieb

Die Fingerkuppe 10 gemäß 1 weist eine Außenhülle auf, die mit einem Fluid 14 sowie einem Granulat 22 gefüllt ist. Die Fingerkuppe weist somit ein Innenvolumen auf, in das Fluid hineingepumpt und aus diesem Fluid wieder hinausgepumpt werden kann. Das Granulat verbleibt ständig in der Fingerkuppe.
In 1 ist die Fingerkuppe im Wesentlichen vollständig mit dem Fluid 14 gefüllt, sodass sie eine konvexe Form aufweist. Das Befüllen und Entleeren der Fingerkuppe kann über eine nicht dargestellte Pumpe erfolgen, wobei der Druck zum Beispiel durch einen Drucksensor 24 überwacht werden kann.
In ihrer konvexen Form kann die Fingerkuppe 10 mit vielen verschieden Gegenständen unter Verwendung vieler verschiedener Oberflächennormalen interagieren.
Alternativ oder zusätzlich zum Innenvolumen der Fingerkuppe 10 kann eine weitere innenliegende Kammer 26 vorgesehen sein, die bei konvexer Fingerkuppe mit dem Fluid 14 gefüllt wird und bei konkaver Fingerkuppe (zum Beispiel im saugenden Betrieb) vollständig kollabiert, das heißt entleert wird. Die weitere innenliegende Kammer 26 kann durch dieselbe Pumpe befüllt und entleert werden, die den Unterdruck der Saugdüse 16 erzeugt. Alternativ kann eine separate Pumpe verwendet werden.
Zusätzlich zum Innenvolumen der Fingerkuppe 10 ist eine weitere innenliegende Kammer 26 vorgesehen, die bei konvexer Fingerkuppe mit dem Fluid 14 gefüllt wird und bei konkaver Fingerkuppe (zum Beispiel im saugenden Betrieb) vollständig kollabiert, das heißt entleert wird. Die weitere innenliegende Kammer 26 kann durch dieselbe Pumpe befüllt und entleert werden, die den Unterdruck der Saugdüse 16 erzeugt. Alternativ kann eine separate Pumpe verwendet werden.
Eine konkave Fingerkuppe ist in 2 dargestellt. Hier ist erkennbar, dass zwischen der Fingerkuppe 10 und dem zu greifenden Objekt 18 ein Hohlraum mit einem Unterdruck entsteht, sodass auch Zugkräfte auf das Objekt 18 aufgebracht werden können.
Die Außenhülle 12 der Fingerkuppe 10 weist vorzugsweise eine sich verändernde Materialstärke auf, die im Bereich um die Saugdüse 16 geringer ist als an den weiter außen befindlichen Flanken 20 der Außenhülle 12.
Die Basis 28 der Fingerkuppe 10 kann als eine feste Struktur ausgebildet sein.
Sofern nur eine Pumpe zum Erzeugen des Unterdrucks der Saugdüse 16 und zum Befüllen und Entleeren des Innenvolumens beziehungsweise der weiteren innenliegenden Kammer 26 verwendet wird, ist es möglich, in der Zuleitung zur Saugdüse ein Ventil 30 vorzusehen, das einen Gasfluss lediglich in Richtung der Pumpe zulässt. Sofern ein Gasfluss in umgekehrter Richtung (beispielsweise zum Loslassen eines Objekts) erfolgen soll, ist es möglich, den Druck derart zu erhöhen, dass die Verschlusswirkung des Ventils 30 hierdurch überwunden wird.

Claims

Robotischer Greifer, mit mindestens einem Finger, der eine Fingerkuppe (10) aufweist, wobei die Fingerkuppe (10) eine flexible, insbesondere elastische Außenhülle (12) aufweist, die mit einem Fluid (14) befüllt ist, wobei die Füllmenge des Fluids (14) zur Einstellung der Form und insbesondere der Elastizität der Fingerkuppe (10) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fingerkuppe (10) eine Saugdüse (16) aufweist, durch die zwischen der Fingerkuppe (10) und einem durch die Fingerkuppe zu greifenden Objekt (18) ein Unterdruck erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fingerkuppe (10) eine weitere innenliegende Kammer (26) aufweist, die bei konvexer Fingerkuppe mit dem Fluid (14) gefüllt wird und bei konkaver Fingerkuppe entleert wird, wobei diese weitere innenliegende Kammer (26) durch dieselbe Pumpe befüllbar und entleerbar ist, die auch den Unterdruck für die Saugdüse erzeugt oder die weitere innenliegende Kammer durch eine separate Pumpe befüllbar und entleerbar ist.
Robotischer Greifer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fingerkuppe (10) beim Betreiben der Saugdüse (16) konkav ausgebildet ist.
Robotischer Greifer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fingerkuppe (10) durch Befüllen mit Fluid in eine konvexe Form überführbar ist.
Robotischer Greifer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigensteifigkeit der elastischen Außenhülle (12) im Bereich um die Saugdüse (16) geringer ist als die Steifigkeit an den weiter außen befindlichen Flanken (20) der Außenhülle (12).
Robotischer Greifer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (12) im Bereich um die Saugdüse (16) eine geringere Materialstärke aufweist als an den weiter außen befindlichen Flanken (20) der Außenhülle (12).
Robotischer Greifer nach Anspruch nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Innenvolumens der Fingerkuppe (10) mit einem Granulat (22) befüllt ist.
Verfahren zum Betreiben eines robotischen Greifers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Reduzieren der Füllmenge des Fluids aus der Fingerkuppe (10). b) Platzieren der Fingerkuppe (10) auf einem zu greifenden Objekt (18) und Betätigen der Saugdüse (16), sodass zwischen der Fingerkuppe (10) und dem zu greifenden Objekt (18) ein Unterdruck entsteht.
Verfahren zum Betreiben eines robotischen Greifers nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Loslassen eines Objekts die Füllmenge in der Fingerkuppe (10) erhöht wird.
Verfahren zum Betreiben eines robotischen Greifers nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Loslassen eines Objekts Gas aus der Saugdüse (16) ausgeblasen wird, sodass zwischen der Fingerkuppe (10) und dem zu greifenden Objekt (18) ein Überdruck entsteht.