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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren
zum Handhaben und Positionieren eines Objektes mit einer Manipulatoreinheit, die
zur Aufnahme des Objektes über
wenigstens zwei Greiferbacken verfügt, die jeweils eine Greiffläche aufweisen, über die
die Greiferbacken eine auf das Objekt gerichtete Haltekraft ausüben, die
messtechnisch erfasst und geregelt wird.
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Stand der
Technik
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Handhabungsprozesse
werden allgemein in die Funktionen Halten, Verändern, Bewegen, Sichern und
Kontrollieren unterteilt. In Abhängigkeit
des jeweiligen Handhabungsprozesses sowie der zu handhabenden Bauteile
werden hierbei unterschiedlich ausgebildete Greifsysteme eingesetzt,
die sich vor allem in ihrer Dimension und der maximal erzeugbaren
Greifkraft unterscheiden.
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Bei
den bekannten Greifsystemen kommen sowohl pneumatische, hydraulische
als auch elektrische Greifer zum Einsatz. Von allen Greifern sind pneumatische
Greifer die am häufigsten
eingesetzten Greifwerkzeuge, da diese Werkzeuge in der Lage sind
Hübe typischerweise
zwischen 4 und 140 mm bei gleichzeitig zu realisierenden Greifkräften von
ca. 20 bis 8400 N zu realisieren. Auf Grund dieser universellen
Einsatzmöglichkeiten
werden pneumatische Greifwerkzeuge als Handhabungshilfen für die unterschiedlichsten
Montage- bzw. Fertigungsprozesse verwendet.
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Demgegenüber werden
hydraulische Greifer vor allem für
Handhabungsprozesse, die hohe Greifkräfte benötigen, eingesetzt. Daher kommen
hydraulische Greifer im Vergleich zu pneumatischen Greifern in industriellen
Handhabungsprozessen seltener zum Einsatz.
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Eine
dritte Kategorie von Greifsystemen stellen die elektrischen Greifer
dar, die allerdings nur selten eingesetzt werden. Im Gegensatz zu
pneumatischen und hydraulischen Greifern sind mit elektrischen Greifern
nur geringe Greifkräfte
zu realisieren. Der Vorteil des elektrischen Greifers besteht allerdings
darin, dass sie hohe Sensorintegration gestatten, da von der Verarbeitung
der Messsignale bis zur Erzeugung eines Stellsignals keine Umwandlung
des elektrischen Signals erfolgen muss. Daher werden elektrische
Greifer vor allem für
Handhabungsprozesse verwendet, bei denen ein hoher Überwachungs-
bzw. Regelungsbedarf besteht.
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Zur Überwachung
und Regelung der mit den drei vorgenannten Greifsystemen ausführbaren Handhabungsprozessen,
stehen grundsätzlich
zwei Sensorkonzepte zur Verfügung.
Zum einen sind berührungslos
arbeitende Sensoren bekannt, die ohne direkten Kontakt zum zu greifenden
Objekt arbeiten. Als berührungslos
arbeitende Sensoren werden vor allem optische, magnetische oder
kapazitive Sensoren eingesetzt, die auf einfache Weise beispielsweise eine
Anwesenheitskontrolle von Bauteilen durchführen.
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Zum
anderen werden in den bekannten Greifersystemen taktil arbeitende
Sensoren eingesetzt, durch die bei Berührung eines Objekts die auf
den Sensor ausgeübte
Kraft zumeist durch Auswertung einer auf das Sensorelement ausgeübten Verformung
detektiert wird. Unter Einsatz einer Regeleinheit, die die Messsignale
auswertet und verarbeitet, ist somit eine zur Greifkraft proportionale
Stellgröße generierbar.
Darüber
hinaus ist mit taktil arbeitenden Sensoren ebenfalls eine Anwesenheitskontrolle möglich.
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Aus
der
JP 60205327 A ist
ein taktiler Sensor bekannt, der in den Greifbacken eines Greifwerkzeugs
integriert ist. Mit Hilfe dieser bekannten Sensoranordnung ist die
Detektion einer auf die Greiffläche einwirkenden
Kraft sowie der Kontakt der Greiffläche mit einem zu greifenden
Objekt detektierbar. Der Messsensor zeichnet sich im Wesentlichen
dadurch aus, dass zwischen zwei flächigen Elektrodenbereichen
verschiedene leitfähige,
gummiartige Materialstreifen angeordnet sind, wobei sich die unterschiedlichen
gummiartigen Materialien in ihrer Elastizität voneinander unterscheiden.
Durch Krafteinwirkung auf die Greiferflächen wird eine Änderung
der elektrischen Eigenschaften des Sensors hervorgerufen, so dass
sowohl die Kontaktierung eines Objekts durch den Greifer als auch
die auf die Greiffläche
des Greifers einwirkende Kraft detektierbar ist.
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Weiterhin
ist aus der
DE 101
20 948 C1 ein Greifersystem mit einem an einer Greifvorrichtung angeordneten
Messsensor bekannt. Das beschriebene Greifersystem umfasst eine
Greifvorrichtung mit zwei verfahrbaren Fingern, die an der Greifvorrichtung
verschieblich oder gegenseitig verschränkbar gelagert angeordnet sind.
Weiterhin ist an der Greifvorrichtung ein Messsensor, insbesondere
ein Positionsmesssensor angeordnet, mit dem die Position der zwei
verfahrbaren Finger relativ zur Greifvorrichtung ermittelbar ist.
Die jeweils ermittelte Position der Finger wird an eine Maschinensteuerung übermittelt
und auf diese Weise der Antrieb der Greifvorrichtung gesteuert.
Darüber
hinaus können
an dem beschriebenen Greifersystem weitere Sensoren vorgesehen sein,
so dass bei Überschreiten
bestimmter in die Maschinensteuerung eingegebener Grenzwerte, wie etwa
kritische Temperaturen oder kritische Betriebsspannungen, eine präventive
Fehlermeldung an eine Computereinheit absetzbar ist.
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Allen
bekannten Greifersystemen ist gemein, dass sie für die Handhabung unterschiedlicher
Objekte, beispielsweise in einer flexiblen Fertigungslinie, stets
umgerüstet
bzw. individuell an die jeweils durchzuführenden Handhabungen angepasst
werden müssen.
Außerdem
müssen
die zu handhabenden Objekte bereits im Vorfeld des Ergreifens durch die
bekannten Greifersysteme in eine definierte Position und Lage überführt werden,
damit ein Fügeprozess
mit den aus dem Stand der Technik bekannten Greifersystemen erfolgreich
durchführbar
ist. Besonders problematisch bei den bekannten Greifersystemen ist
die Handhabung von Bauteilen, die aus unterschiedlichen Materialien
bestehen, vor allem im Falle leicht verformbarer Materialien. Sobald
ein derartiges Bauteil unter einer falschen Lage oder Position von
einem herkömmlichen
Greifersystem ergriffen wird, kann es zur Beschädigung oder zur Zerstörung des
entsprechenden Bauteiles kommen.
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Darstellung der Erfindung
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Ausgehend
von dem bekannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung
darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum sicheren Handhaben
und Positionieren von Objekten, die über unterschiedliche Geometrien,
Größen, Werkstoffeigenschaften
und/oder Steifigkeiten verfügen
können, anzugeben,
das unter Einsatz verhältnismäßig einfacher,
leicht zu wartender sowie kostengünstiger Mittel realisierbar
sein soll. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Lösung das Handhaben von leicht verformbaren
Bauteilen bei vergleichsweise reduzierten Werkzeugkosten, Rüstzeiten
und einer Steigerung der Qualität
des Handhabungsprozesses ermöglichen.
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Die
Lösung
der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1
angegeben. Im Anspruch 11 wird eine Vorrichtung angegeben, mit der
die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst wird. Vorteilhafte Weiterbildungen
des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie
aus dem nachfolgenden Beschreibungstext unter Bezugnahme auf die
Ausführungsbeispiele zu
entnehmen.
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Erfindungsgemäß zeichnet
sich ein Verfahren zum Handhaben und Positionieren von Objekten mit
einer Manipulatoreinheit, die zur Aufnahme des Objektes über wenigstens
zwei Greiferbacken verfügt,
die jeweils eine Greiffläche
aufweisen, über
die die Greiferbacken eine auf das Objekt gerichtete Haltekraft
ausüben,
die messtechnisch erfasst und geregelt wird, durch die Kombination
der folgenden Verfahrensschritte aus:
Mittels der Greiferbacken
wird ein Objekt, das sich in einer beliebigen Lage in einem für die Manipulatoreinheit
erreichbaren Aufnahmebereich befindet, ergriffen, wobei die Greiferbacken
mit dem Objekt über die
Greifflächen
unter Ausbildung von Kontaktflächen wenigstens
teilweise unmittelbar in Berührung
treten. Im Bereich der sich ausbildenden Kontaktflächen zwischen
den Greiferbacken und dem ergriffenen Objekt werden sodann ortsaufgelöste Kraftverteilungen
erfasst, aus denen die Lageposition des Objektes relativ zu den
Greiferbacken ermittelt wird. Zur Lageermittlung können optional
auch die Informationen über
die ausgebildeten Kontaktflächen
herangezogen werden. Anhand der ermittelten Lageposition des Objektes
relativ zu den Greiferbacken werden nachfolgend die Greiferbacken
derart positioniert, um das Objekt in eine räumlich vorgebbare Sollposition überzuführen. Weitere
Handhabungsvorgänge,
wie Ablegen des Objektes oder ähnliche
Massnahmen können
sich anschließen.
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Durch
die Kombination der vorgenannten Verfahrensschritte ist ein intelligentes
System zur Positionierung und Handhabung von Bauteilen realisierbar.
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Mit
dem erfindungsgemäß ausgeführten Greifsystem
ist es somit möglich,
während
des Greifprozesses die Greifkraft zu ermitteln, zu überwachen und
gleichzeitig zu regeln.
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Um
auch Objekte unterschiedlichster Bauteilgeometrien mit dem beschriebenen
Greifersystem zuverlässig
handhaben zu können,
werden vorzugsweise bereits im Vorfeld, bspw. eines Produktionsprozesses,
prozessrelevante Sollwerte festgelegt bzw. ermittelt, in einer Datenbank
hinterlegt und während
des Handhabungsprozesses mit den gemessenen, Größen, wie etwa die flächige Kraftverteilung oder
die ermittelten Kontaktflächen
verglichen. Zum einen ist auf diese Weise die Lage eines ergriffenen Bauteils
relativ zu den Greifbacken sowie letztlich die Absolutlage des Bauteils
gegenüber
der Umgebung bestimmbar. Zum anderen sind unter Zugrundelegung eines
Vergleichs der gemessenen Istwerte mit den hinterlegten Sollwerten
Regelgrößen ableitbar, so
dass die Position des Bauteils auch während eines Handhabungsprozesses
veränderbar
und an die Prozesserfordernisse anpassbar ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfähren lässt sich somit
auf bevorzugte Weise in einen Fertigungsprozess integrieren, ohne
die Notwendigkeit einer aufwendigen Vorsortierung bzw. Vororientierung
der einzelnen Objekte. Vielmehr ist ein Ergreifen eines in einer
gewillkürten
Lage vorliegenden Objekts durch den Greifer ohne komplizierte Sensorüberwachung möglich. Mittels
blossem "Ertasten" ist somit die Lageerkennung
und letztlich eine Überführung des
ergriffenen Objektes in eine für
einen bestimmten weiteren Prozessablauf erforderliche Position durch
gezielte Bewegung der Manipulatoreinheit samt Greifers möglich.
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Während des
Ergreifens eines Objekts bildet sich eine durch Kontaktstellen,
an denen sich die Greifflächen
der Greiferbacken und die Oberfläche des
zu handhabenden Objektes berühren,
gebildete Kontaktfläche
aus.
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Durch
den Greifvorgang eines Objektes mittels der beiden Greiferbacken – an dieser
Stelle sei darauf hingewiesen, dass aus Gründen einer einfachen Erfindungsbeschreibung
davon ausgegangen wird, dass der Greifer lediglich über zwei
Greiferbacken verfügt,
selbstverständlich
ist die der Erfindung zugrundeliegende technische Lehre auch auf
Greifersysteme übertragbar
mit mehr als zwei Greiferbacken oder Greiferfinger – zeichnet
sich an den Greifflächen
jeweils eine Kontaktkontur aus, deren flächige Ausbildung in erster
Linie von dem Objekt selbst abhängt,
insbesondere von dessen aktuellen Lage innerhalb der Greiferbacken,
aber auch von der Greif- bzw. Haltekraft. Mittels geeigneter flächig an den
Greifflächen
vorgesehenen Drucksensoraufnehmern ist es möglich eine ortsaufgelöste Kräfteverteilung
längs der
Kontaktflächen
zu ermittelt, über
die das ergriffene Objekt mit den Greiferbacken jeweils in Berührung tritt.
Durch Vergleich der auf diese Weise gemessenen, ortsaufgelösten Kräfteverteilungen
mit in einer Datenbank hinterlegten Referenzwerten, ist die Lage
des Objektes relativ zu den Greiferbacken bestimmbar. Auch können unterschiedliche
Objekte, anhand geeigneter Referenzwerte identifiziert werden, doch
wird im weiteren davon ausgegangen, dass es hauptsächlich um
die Erkennung der Relativlage zwischen einem bekannten ergriffenen
Objekt und den Greiferbacken geht.
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Zur
exakten Lagebestimmung des ergriffenen Objektes werden in einer
Datenbank sowohl Geometriedaten, die die Form eines Referenzobjekts beschreiben,
als auch Informationen über
Kräfteverteilungen,
die bei Referenzmessungen an einem vergleichbaren Objekt ermittelt
worden sind, hinterlegt. Derartige Referenzdaten werden im Rahmen
von Referenzmessungen gewonnen, die im Vorfeld an einem repräsentativen
handzuhabenden Objekt mit dem Greifersystem durchgeführt werden.
Neben Referenzwerten, die Informationen bezüglich der Kraftverteilungen
und/oder Kontaktflächen
enthalten, werden zusätzlich
auch Informationen, für
zumindest eine von dem Objekt während
eines Handhabungsprozesses einzunehmende Sollpositionen festgelegt, in
der das handzuhabende Objekt einem weiterführenden Behandlungsprozess
zuzuführen
ist.
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Nachdem
der Vergleich der gemessenen Istmesswerte mit den in der Datenbank
hinterlegten Referenzwerten durchgeführt und so die Lage des Objektes
relativ zu den Greiferbacken bestimmt worden ist, werden Steuergrößen ermittelt,
anhand derer die Manipulatoreinheit samt dem durch die Greiferbacken
ergriffenen Objektes in eine vorgegebene Sollposition überführt wird,
um letztlich das Objekt räumlich
derart zu positionieren, dass das Objekt in einer vorgegebene Lage
einem weiterführenden
Verarbeitungsprozess zur Verfügung
steht.
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Wie
bereits erwähnt
erfolgt die Aufnahme des Objektes mittels der Greiferbacken unter
Einsatz taktil arbeitender Sensorfelder, die an den Greifflächen der
Greiferbacken vorgesehen sind, so dass die flächig verteilte Haltekraft zwischen
dem Objekt und den Greifflächen
bestimmbar ist. Die ortsaufgelöst, messtechnisch
erfasste Haltekraft wird mit in einer Datenbank hinterlegten Referenzwerten
verglichen, um letztlich die Lage des ergriffenen Objektes innerhalb
der Greiferbacken zu ermitteln, wobei stets Regelgrößen generiert
werden, durch die eine maximale Haltekraft nicht überschritten
werden, um das ergriffene Objekt nicht zu beschädigen. Dies ist insbesondere
in Fällen
wichtig, in denen die Objekte bruchgefährdet sind.
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Eine
bevorzugte Verfahrensvariante sieht überdies vor die auf das ergriffene
Objekt einwirkende Haltekraft dynamisch zu verändern, während die Lage des Objektes
zwischen den Greiferbacken unverändert
bleibt. Durch eine zumindest zeitweise Veränderung, vorzugsweise Verstärkung der
Haltekraft, wird die Form der sich zwischen dem Objekt und den Greifflächen der
Greifbacken durch unmittelbare Berührung ausbildenden Kontaktflächen leicht
variiert. Die auftretenden Variationen sind um so stärker, je elastischer
das ergriffene Objekt ist. Durch die sich in Abhängigkeit der zeitlich variierenden
Haltekraft ändernden
Kontaktflächengrößen können weitere
Informationen gewonnen werden, um eine Objektidentifikation sowie
eine Lageerkennung des Objektes zwischen den Greiferbacken vornehmen
zu können.
Vor allem bei Objekten, die aus mehreren, jeweils über unterschiedliche
Materialeigenschaften aufweisenden Komponenten zusammengesetzt sind,
ist die Detektion der Lage des ergriffenen Objekts relativ zu den
Greiferbacken durch Auswertung einer Formänderung der einzelnen Komponenten
auf Grund einer dynamischen Haltekraftveränderung möglich.
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In
bevorzugter Weise das Erfassen der ortsaufgelösten Kraftverteilung pro Kontaktfläche unter Einsatz
taktiler Messsensoren. Besonders geeignet ist es, die Messsensoren,
vorzugsweise Einzeldrucksensoren arrayförmig, zumindest bereichsweise
innerhalb der Greifflächen
der Greiferbacken vorzusehen. Die Messsignale der einzelnen Sensoren
werden hierbei zur Bestimmung der Form der Kontaktflächen sowie
zur Erfassung der flächenhaften
Kraftverteilung ausgewertet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es auf besonders bevorzugte Weise, ein Bauteil in einer beliebigen
Position, bspw. aus einer Kiste, mit Hilfe eines Greifers herauszunehmen,
die Lage des Bauteils relativ zu den Greiferbacken zu bestimmen
und das Bauteil derart zu positionieren, dass es einem weiteren
Montage- oder Fertigungsprozess gerichtet zuführbar ist. Weiterhin lässt sich
mit dem beschriebenen Verfahren die Haltekraft, mit der ein Greifer
das Bauteil ergreift, detektieren und derart bauteilangepasst regeln,
dass auch empfindliche Bauteile zuverlässig handhabbar sind.
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Zur
erfolgreichen Durchführung
des vorstehend beschriebenen Verfahrens sind drei Regelungserfordernisse
nötig:
- 1. Die Aufnahme des Objektes erfolgt, unter
Ausübung
einer zwischen den Greifflächen
und dem Objekt wirkenden, flächig
verteilten Haltekraft, die messtechnisch erfasst und mit wenigstens
einem Referenzwert verglichen wird, woraus eine Regelgröße für die das
Objekt einwirkende Haltekraft ermittelt wird, so dass ein Überschreiten
einer maximalen Haltekraft vermieden wird.
- 2. Die Bestimmung der Lageposition des Objektes erfolgt relativ
zu den Greiferbacken durch Vergleich der ortsaufgelösten Kraftverteilungen und/oder
der ausgebildeten Kontaktflächen
jeweils mit Referenzwerten.
- 3. Das Positionieren der das Objekt haltenden Greiferbacken
wird auf der Basis eines Vergleiches von die Ist-Position der Greiferbacken
beschreibenden Werten mit eine von den Greiferbacken einzunehmenden
Soll-Position definierenden Referenzwerten durchgeführt.
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Die
vorstehenden Regelungserfordernisse können in bevorzugter Weise auf
der Basis der folgenden drei unterschiedlichen Regelungskonzepte gelöst werden,
die den Vergleich zwischen gemessenen und vorgegebenen Referenz-
bzw. Sollwerten unter Einsatz einer unmittelbaren arithmetischen Wertevergleichsbestimmung,
einer auf der Fuzzy Logik basierenden Regelarchitektur oder unter
Verwendung eines neuronalen Netzes durchführen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
nutzt zur Festlegung von Regelungsgrößen die unmittelbare arithmetischen
Wertevergleichsbestimmung. Bei diesem Auswerteverfahren werden die
von den auf den Greifflächen
vorgesehenen Einzelsensoren an die Regelungseinheit übermittelten
Signale in Matrizenform angeordnet und verarbeitet. Durch die Verarbeitung
der Messsignale in Matrizenform ist auf besonders geeignete Weise
eine einfache Überlagerung oder
die Auswahl von einzelnen Sensorsignalen realisierbar. Bei Verwendung
der Matrizendarstellung werden vorzugsweise sog. Messmatrizen eingeführt, die
Informationen über
das physikalische Wirkprinzip der Sensoren beinhalten. Auf diese
Weise ist für
jeden Sensor ein Matrixelement vorgesehen, so dass die Messsignale
der verschiedenen Messsensoren mit verhältnismäßig geringem Aufwand zu verarbeiten
sind. Insbesondere liegt für
jedes Element der Messmatrix ein Messwert vor, so dass das System durch
einen Zustandssektor, der als Informationen bspw. Weg, Geschwindigkeit
oder Beschleunigung enthält,
charakterisierbar ist.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des vorgenannten Auswerteverfahrens erfolgt die Darstellung aller
Signale in Matrizenform, so dass durch eine einfache Matrixmultiplikation
eine Überlagerung verschiedener
Signale durchführbar
ist. Auf diese Weise werden eine Vielzahl von Messsignalen, die sich
in der Messmatrix befinden zu einer überschaubaren Anzahl von Signalen
zusammengefasst. Die Auswahl der für eine Auswertung herangezogenen Sensorsignale
erfolgt vorzugsweise unter Zugrundelegung der Signalintensität. Hierbei
eignet es sich besonders, den entsprechenden Messwert für die weitere
Verarbeitung innerhalb der Regelungseinheit zu berücksichtigen,
sobald die Signalintensität
ein Maximum annimmt.
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Eine
weitere, alternative Ausführungsform der
Signalauswertung sieht vor, dass der Vergleich zwischen gemessenen
Größen und
Referenz- bzw. Sollwerten unter Einsatz einer auf der Fuzzy Logik basierenden
Regelarchitektur durchgeführt
wird. Dieses Auswerteverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass beliebige
Zahlen des reellen Einheitsintervalls als unscharfe oder kontinuierliche
Werte zugelassen sind. Auf diese Weise ist eine Darstellung und
Verarbeitung unpräziser
Informationen möglich,
da jeder Messwert als mit einem gewissen Zugehörigkeitsgrad zu einer bestimmten
Menge gehörend
darstellbar ist. In dem vorliegenden Fall werden die Kraftverteilungen
ortsaufgelöst
längs der
Kontaktflächen
zwischen den Greifflächen
der Greiferbacken und dem erfassten Objekt gemessen, in ein Fuzzy-Signal
gewandelt und entsprechend einem Regelalgorithmus eine Stellgröße berechnet.
Diese Stellgröße wird
erneut durch eine sog. Defuzzyfizierung gewandelt und derart ausgegeben,
dass die entsprechende Stellgröße mit Hilfe
eines geeigneten Stellgliedes, bspw. durch einen Linearmotor, umsetzbar
ist.
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Bei
einer weiteren, alternativen Ausführungsform des Auswerteverfahrens
erfolgt der Vergleich zwischen gemessenen Werten und Referenzwerten
innerhalb der Regelungseinheit unter Verwendung eines neuronalen
Netzes. Zur Regelung der Greifkraft oder der Änderung der Positionierung der
Greiferbacken werden die vom Sensorfeld generierten Informationen
dem neuronalen Netz als Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt.
Das neuronale Netz ist hierbei allgemein dem menschlichen Gehirn nachgebildet.
Es besteht aus baugleichen Verbindungsknoten, den sog. Neuronen,
die über
eine Vielzahl von Eingängen
aber lediglich einen Ausgang verfügen. Ein Neuron geht von dem
Ruhezustand in den sog. Erregungszustand über, wenn eine ausreichende
Anzahl von Eingängen
des Neurons erregt werden. Die verschiedenen Eingänge des
Neurons sind allerdings nicht gleich stark gewichtet, sondern es
findet eine Klassifizierung der entsprechenden Informationen statt.
Innerhalb des neuronalen Netzes werden die Informationen derart
verarbeitet, dass letztlich die relevanten Sensorinformationen extrahiert
werden und der Regeleinheit als Regelgröße dienen.
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Bei
Verwendung eines der drei vorgenannten Auswerteverfahren sind stets
zwei Regelmechanismen zu unterscheiden. So erfordert die Ermittlung der
Lage des Objekts relativ zu den Greiferbacken einen größeren Aufwand
als die Erfassung der auf das Objekt wirkenden Haltekraft. Während es
für die
Bestimmung der Haltekraft vorzugsweise ausreichend ist die zur Kraft
proportionale Spannung zu kennen, muss bei der Ermittlung der Lage
des Objekts sowohl die Lage des Objekts relativ zu den, mindestens
zwei Greiferbacken, als auch relativ zu den Ortskoordinaten bestimmt
werden.
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Ferner
sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, mit der das vorstehende
Verfahren in besonders geeigneter Weise durchführbar ist. Erfindungsgemäß zeichnet
sich eine Vorrichtung zum Handhaben und Positionieren eines Objektes
mit einer Manipulatoreinheit, die zur Aufnahme des Objektes über wenigstens
zwei Greiferbacken verfügt,
die jeweils eine Greiffläche
aufweisen, über
die die Greiferbacken eine auf das Objekt gerichtete Haltekraft
ausüben, die
messtechnisch erfassbar und regelbar ist, dadurch aus, dass die
Greifflächen
zumindest Bereiche mit arrayförmig
angeordneten Einzeldrucksensoren aufweisen, dass die Einzeldrucksensoren
mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung einer flächigen Krafteinwirkung
verbunden sind, und dass eine Steuer- und/Regeleinheit vorgesehen
ist, die in Abhängigkeit
der erfassten flächigen
Krafteinwirkungen die durch die Greiferbacken vorgebbare Haltekraft
regelt und die Greiferbacken positioniert.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind die Greiferbacken, die der Aufnahme eines zu handhabenden Objektes
dienen, als Parallelgreifer ausgebildet. Weiterhin sind die arrayförmig angeordneten
Einzeldrucksensoren, vorzugsweise taktile Einzeldrucksensoren. Mit
Hilfe dieser Vielzahl von auf der Greiffläche der Greiferbacken angeordneten
Sensoren ist die auf die Greiffläche
wirkende Kraft detektierbar und unter Zugrundelegung der Verformung
der Einzelsensoren eine zur Greifkraft proportionale Regelgröße erzeugbar.
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Die
Auswertung und Verarbeitung der von den Einzeldrucksensoren generierten
Messsignale erfolgt in einer Auswerteeinheit, durch die eine flächige Krafteinwirkung
detektierbar ist. In Abhängigkeit der
erfassten Krafteinwirkungen erzeugt eine Steuer- und Regelungseinheit eine Regelgröße, durch
die das Greifsystem beeinflusst wird. Bei der Regelgröße kann
es sich sowohl um eine Veränderung
der Haltekraft als auch um eine Lageänderung der Greiferbacken handeln.
In diesem Fall wird eine Lageänderung der
Greiferbacken vorzugsweise durch eine räumliche Positionierung der
Greiferbacken mittels der Manipulatoreinheit bewirkt. Es ist allerdings
auch denkbar, dass die entsprechende Lageänderung durch eine Bewegung
des Roboterarms, an dem die Manipulatoreinheit befestigt ist, realisiert
wird.
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In
einer besonderen Ausführungsform
handelt es sich bei der Manipulatoreinheit um ein Endstück eines
Roboterarms, das lösbar
fest mit dem Roboterarm verbindbar ist. Vorzugsweise ist zur Verbindung
der Manipulatoreinheit mit dem Roboterarm ein Schnellwechselsystem
vorgesehen, so dass ein Wechsel der Manipulatoreinheit zügig erfolgen
kann.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1 elektrischer Parallelgreifer
mit Sensorfeld
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2 elektrischer Parallelgreifer
mit Roboterschnittstelle
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Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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In 1 ist eine Manipulatoreinheit 1 dargestellt,
die über
zwei Greifbacken 2 verfügt,
durch die auf das Objekt 3, in diesem Fall ein Rundstab,
eine Haltekraft ausgeübt
wird, so dass das Objekt 3 einseitig fest zwischen den
Greiferbacken 2 eingespannt ist. Vorzugsweise sind die
Greiferbacken als Parallelgreifer ausgebildet. Wird ein Objekt 3 mit
Hilfe der in der 1 dargestellten
Greiferanordnung zum Handhaben und/oder Positionieren des Objekts 3 gespannt,
so bilden sich Kontaktflächen
aus, an denen die Oberfläche
des Objekts 3 zumindest teilweise mit den Greifflächen 4 der
Greiferbacken 2 unmittelbar in Berührung tritt. In dem vorliegenden
Fall stellen die Kontaktflächen
Linien dar, längs
der der Rundstab die Greifflächen 4 der
Greiferbacken 2 zumindest teilweise berührt.
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Ferner
ist in 1 eine Detailansicht
der Enden der Greiferbacken 2, zwischen denen ein Objekt einspannbar
ist, dargestellt. Im Einzelnen ist die Greiffläche 4 der linken Greiferbacken 2 zu
sehen, auf der arrayförmig
angeordnete Einzeldrucksensoren 5 vorgesehen sind. Bei
diesen Einzeldrucksensoren 5 handelt es sich um taktile
Messsensoren, die bei Berührung
eines Objekts die auf sie einwirkende Kraft detektieren und ein
Messsignal generieren. Die arrayförmige Anordnung der taktilen
Einzeldrucksensoren 5 ermöglicht die Erfassung einer
ortsaufgelösten
Kraftverteilung längs
der Kontaktflächen,
die sich bei unmittelbarer Berührung
der Greifflächen 4 mit der
Oberfläche
eines Objektes ausbildet. Die Einzeldrucksensoren 5 generieren
jeweils ein Messsignal, das an eine Auswerteeinheit 6 übermittelt
wird. Die Übermittlung
der Messsignale kann sowohl mit Hilfe eines herkömmliches Datenkabel als auch
drahtlos realisiert werden. Die Auswerteeinheit 6 ermittelt
die auf die Einzeldrucksensoren einwirkende Kraft und generiert
ein Steuersignal, das an eine Steuer- und Regeleinheit 7 übertragen
wird. Die Steuer- und Regeleinheit 7 regelt die durch die
Greiferbacken 2 aufbringbare Haltekraft in Abhängigkeit
der ermittelten Krafteinwirkungen und steuert die Positionierung
der Greiferbacken 2.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
in Abhängigkeit
der Eigenschaften des zu handhabenden Objekts 3 in der
Steuer- und Regeleinheit 7 Maximalwerte für die Haltekraft
vorzusehen, so dass eine Verformung oder eine Beschädigung des
handzuhabenden Objekts 3 gänzlich auszuschließen ist.
Die Steuer- und Regeleinheit 7 kann sowohl innerhalb des
Greifersystems als auch außerhalb,
in einer externen Vorrichtung angeordnet sein. Selbstverständlich ist
es auch denkbar, die Auswerteeinheit 6 und die Steuer- und
Regeleinheit 7 in einer Einheit zusammenzufassen bzw. Auswerte-,
Steuer- und Regeleinheit in eine übergeordnete Montage- oder
Fertigungssteuerung, bspw. in einen Schaltschrank, zu integrieren.
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Nach
Erfassen der ortsaufgelösten
Kraftverteilung längs
der Kontaktflächen
durch die Einzeldrucksensoren 5, erfolgt die Ermittlung
der Lage des Objektes 3 relativ zu den Greiferbacken 4 auf
der Grundlage der ortsaufgelösten
Kraftverteilungen und/oder der ausgebildeten Kontaktflächen. Anschließend wird
die Haltekraft auf einen objektspezifischen Wert eingestellt und
die Greiferbacken 4 auf der Grundlage der ermittelten Lage
des Objektes derart positioniert, dass das Objekt 3 in
eine, bspw. für einen
weiteren Montageprozess erforderliche, Sollposition, die in der
Steuer- und Regeleinheit 7 hinterlegt ist, überführt wird.
Das Überführen des
Objektes 3 in eine vorgebbare Sollposition kann sowohl
durch Veränderung
der Lage ausschließlich
der Greiferbacken 2, bspw. durch gemeinsames Drehen der
beiden Greiferbacken 2, oder durch Bewegung der gesamten
Manipulatoreinheit 1, die bspw. als Roboterarm ausgebildet
ist, erfolgen.
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In 2 ist Greifersystem dargestellt,
das zur Aufnahme eines Objektes über
wenigstens zwei Greiferbacken 2 verfügt und das über ein Schnellwechselsystem 9 mit
einer als Roboterarm ausgebildeten Manipulatoreinheit 1 verbindbar
ist. Das Schnellwechselsystem 9 besteht im Wesentlichen aus
zwei Elementen 9a, 9b, die ohne Zuhilfenahme eines
Werkzeugs lösbarfest
mit einander zu verbinden sind. Das roboterseitige Element 9a des
Schnellwechselsystems 9 ist über einen Flansch 10 mit
der Manipulatoreinheit 1 verbindbar, während das greiferseitige Element 9b des
Schnellwechselsystems 9 an der Manipulatoreinheit 1 befestigt
ist. Durch den an der Manipulatoreinheit 1 vorgesehenen
Flansch 10 wird vor allem Gewähr leistet, dass an die Manipulatoreinheit 1 neben
dem Schnellwechselsystem 9 auch andere Werkzeugsysteme
modular befestigbar sind.
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Das
greiferseitige Element 9b des Schnellwechselsystems 9 ist
fest, bspw. durch eine Schweißverbindung,
mit dem Greiferbackensystem verbunden. Das Schnellwechselsystem 9 ist
bspw. als Luer-Lock-Verschluss ausgebildet. Durch ein derart mit
einem Schnellwechselsystem 9 ausgerüstetes Greifsystem können Rüstzeiten,
die bisher für
die Umrüstung
einer Handhabungs- bzw.
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Positioniermaschine
benötigt
werden, entscheidend minimiert werden.
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- 1
- Manipulatoreinheit
- 2
- Greiferbacken
- 3
- Objekt
- 4
- Greiferflächen
- 5
- Einzeldrucksensoren
- 6
- Auswerteeinheit
- 7
- Steuer-
und Regeleinheit
- 8
- N.N.
- 9
- Schnellwechselsystem
- 9a
- roboterseitiges
Element des Schnellwechselsystems
- 9b
- greiferseitiges
Element des Schnellwechselsystems
- 10
- Flansch