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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Roboter zum Greifen von Gegenständen,
welcher Roboter einen beweglichen Roboterarm mit einem Greifer und
einen an dem Roboterarm angeordneten Sensor umfasst. Die Erfindung
betrifft ebenfalls ein Handlingsystem für in einem Industrie-Verfahren
zu bearbeitende Gegenstände und ein Verfahren zum Greifen von
Gegenständen.
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Hintergrund der Erfindung
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Um
Gegenstände in einem Industrie-Verfahren zu bearbeiten,
werden Roboter verwendet, die mit Greifvorrichtungen bzw. -werkzeuge
zum Greifen, Halten und Bewegen derartiger Gegenstände
bereitgestellt sind. Die zu bearbeitenden Gegenstände können,
Beispielsweise, Gegenstände sein, die beispielsweise maschinell
bearbeitet und/oder montiert werden sollen. In der
US-P-5,617,335 wurde vorgeschlagen,
dass ein Roboter mit einer Kamera bereitgestellt werden kann. Zu
bearbeitende Gegenstände werden markiert und die Kamera
folgt der Markierung, die auf dem in Frage stehenden Gegenstand aufgebracht
wurde. Durch die Kamera erhaltene Daten werden anschließend
zur Steuerung des Roboters verwendet. Eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin einen verbesserten Roboter zum Greifen von
Gegenständen, ein verbessertes System zum Handhaben bzw.
Handling von Gegenständen und ein verbessertes Verfahren
zum Greifen von Gegenständen bereitzustellen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Roboter zum Greifen von Gegenständen,
welcher Roboter einen beweglichen Roboterarm mit einem Greifer umfasst. An
dem beweglichen Arm ist ein Sensor angeordnet. Der Sensor ist mit
einer Steuereinheit verbunden, die so angeordnet vorliegt, um den
Roboterarm zu steuern. Der Sensor umfasst einen Linienlaser und
einen optischen Empfänger, um reflektiertes Laserlicht
zu empfangen.
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Der
Sensor kann so angeordnet sein, dass er in Bezug auf den Greifer
fixiert ist.
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Der
Linienlaser und der optische Empfänger können
in einem Winkel relativ zueinander angeordnet sein, der zwischen
10° und 65° beträgt.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls ein Handlingsystem zum Handhaben von
Gegenständen in einem Industrie-Verfahren. Das erfindungsgemäße
Handlingsystem umfasst eine Förderanlage, auf der die Gegenstände
vorwärts befördert bzw. transportiert werden können.
Ein Roboter ist in Verbindung mit der Förderanlage verortet
und so angeordnet, um die Gegenstände zu greifen/einzuspannen.
Der Roboter umfasst einen beweglichen Roboterarm mit einem Greifer
und einen an dem beweglichen Arm angeordneten Sensor. Der Sensor
ist mit einer Steuereinheit zum Steuern des Roboterarms verbunden,
wobei der Sensor, der einen Linienlaser und einen optischen Empfänger
umfasst, zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht angeordnet ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Greifen von Gegenständen,
die in einem Industrie-Verfahren bearbeitet werden. Das Verfahren
umfasst die Verwendung eines Roboters, worin der Roboter einen beweglichen
Arm mit einem Greifer umfasst und wobei auf dem beweglichen Roboterarm ein
Sensor angeordnet ist. Der Sensor ist mit einer Steuereinheit zum
Steuern des beweglichen Roboterarms verbunden. Der Sensor umfasst
einen Linienlaser und einen optischen Empfänger, der zum Empfangen
des reflektierten Laserlicht angeordnet ist. Das Verfahren umfasst
Beleuchten des zu greifenden Gegenstandes mit Laserlicht von dem
Linienlaser des Sensors und Empfangen des Laserlichts, in dem optischen
Empfänger, das von dem zu bearbeitenden Gegenstand reflektiert
wurde. Das Verfahren umfasst weiterhin Vergleichen des reflektierten
Laserlichts mit einer Reflektion, die vorab definiert wurde (eine
vorher definierte Reflektion) und eine Verschiebung des Roboterarms,
bis das reflektierte Laserlicht mit der vorab definierten Reflektion
abgeglichen ist (übereinstimmt). Schließlich,
umfasst das Verfahren ein Greifen des Gegenstandes, wenn das reflektierte
Laserlicht mit der vorab definierten Reflektion abgeglichen ist
(übereinstimmt).
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Der/Die
zu greifende/n Gegenstand oder Gegenstände können
sich in einem Bewegungszustand befinden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch ein Roboter- und Handlingsystem.
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2 zeigt
aus einer anderen Perspektive einen an einem Roboterarm angebrachten
Sensor.
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3 zeigt
einen Sensor, der für eine Verwendung in der vorliegenden
Erfindung vorgesehen ist.
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4 zeigt
schematisch, wie ein Industrieroboter einen Gegenstand greift/einspannt.
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5 zeit
schematisch, wie ein Sensor, der auf einem beweglichen Roboterarm
angebracht ist, einen zu greifenden Gegenstand erfasst bzw. detektiert.
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6 ist
eine Vergrößerung des Bereichs VI in 5.
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7 zeigt
schematisch und grundsätzlich einen Teil einer Steuersequenz,
wenn ein Gegenstand durch den erfindungsgemäßen
Roboter gegriffen wird.
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Ausführliche Beschreibung der
Erfindung
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Mit
Bezugnahme auf 1 und 4 umfasst
die Erfindung einen Roboter 1 zum Greifen von Gegenständen 2.
Der Roboter 1 kann geeigneter Weise ein Industrieroboter
mit mindestens zwei Freiheitsgraden sein. Beispielsweise, kann der
Roboter 1 ein Industrieroboter mit 6 Achsen sein.
Der Roboterarm 3 und/oder dessen Greifer 4 können
um diese Achsen drehen oder entlang einer oder mehrerer dieser Achsen
in einer bekannten Weise linear verschoben werden. Wie in 1 dargestellt,
können die Gegenstände 2 durch eine Förderanlage 11 transportierte
Gegenstände sein.
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Der
Roboter 1 umfasst einen beweglichen Roboterarm 3,
der einen Greifer 4 aufweist. Auf dem beweglichen Roboterarm 3 ist
ein Sensor 5 angeordnet. Der Sensor 5 ist mit
einer Steuereinheit 6 zum Steuern des Roboterarms verbunden.
Wie in 3 am besten zu sehen ist, umfasst der Sensor 5 einen Linienlaser 8 und
einen optischen Empfänger 9, der so angeordnet
ist, reflektiertes Laserlicht zu empfangen. Wie aus 3 gesehen
werden kann, können der Linienlaser 8 und der
optische Empfänger 9 auf der Innenseite einer
Außenhülle 7 angeordnet sein, die den
Linienlaser 8 und den optischen Empfänger 9 schützt.
Ein in diesem Zusammenhang, beispielsweise, geeigneter Linienlaser 8 kann
ein LasirisTM SNF Laser mit einer Wellenlänge
von 635 bis 1550 nm sein, jedoch können andere Bestandteile
ebenfalls verwendet werden.
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2 zeigt
eine mögliche Ausführungsform, in der der Sensor 5 an
dem Ende des Roboterarms 3 angeordnet ist. Der Greifer 4 kann
ebenfalls an dem Ende des Roboterarms 3 auf derartige Weise
angebracht sein, dass der Greifer 4 in Bezug auf den Greifer 4 fixiert
ist. Der Greifer 4 wird anschließend zusammen
mit dem Sensor 5 bewegt, so dass sich der Sensor 5 immer
in genau der gleichen Position in Bezug auf den Greifer 4 befindet.
Der Greifer 4 kann, beispielsweise, ein Greifer mit mechanischen
Fingern sein, jedoch gibt es andere Wege den Greifer 4 in
die Praxis umzusetzen. Beispielsweise, kann der Greifer 4 mit
Saugnäpfen bzw. Saugern oder Magneten bereitgestellt sein.
In 2 ist der Roboterarm 3 ohne dessen Greifer 4 gezeigt,
wobei jedoch klar sein sollte, dass ein Greifer an dem Anschluss-Montageflansch 13 in 2 angeordnet
sein kann.
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Der
Linienlaser 8 und der optische Empfänger 9 können
in Bezug aufeinander in unterschiedlicher Weise angeordnet/ausgerichtet
sein. In mehreren Ausführungsformen, können der
Linienlaser 8 und der optische Empfänger 9 in
einem Winkel relativ zueinander angeordnet sein, der zwischen 10° bis 65° beträgt.
Durch praktische Versuche stellten die Erfinder fest, dass die Verlässlichkeit
der Erfassungen dazu tendiert abzunehmen, falls der Winkel kleiner
als 10° beträgt, während der Sensor unnötigerweise
unförmig und unhandlich wird, falls der Winkel mehr als
65° beträgt. Es sind jedoch Ausführungsformen
vorstellbar, in denen der Winkel größer als 65° ist.
Beispielsweise, kann der Winkel in dem Bereich von 10° bis
90° liegen.
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Mit
Bezugnahme auf 1 kann die Erfindung ebenfalls
bezüglich eines Handlingsystems für in einem Industrie-Verfahren
zu bearbeitende Gegenstände 2 verstanden werden.
Das Handlingsystem umfasst den vorstehend erwähnten Roboter
und eine Förderanlage 11. Es sollte jedoch klar
sein, dass die Förderanlage andere Formen annehmen kann. Die
Förderanlage 11 kann, beispielsweise ein Förderband
sein. In 1 ist eine Förderanlage 11 gezeigt,
in der auf- bzw. eingehängte Gegenstände 2 vorwärts
in Richtung des Pfeils transportiert werden. Der Roboter 1 ist
in Verbindung mit der Förderanlage 11 placiert
und so angeordnet, um die durch die Förderanlage 11 vorwärts
transportierten Gegenstände 2 zu greifen.
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Die
Funktion des erfindungsgemäßen Roboters 1 ist
wie folgt. Wie in 1 dargestellt, werden Gegenstände 2 durch
die Förderanlage 11 vorwärts transportiert.
Die Gegenstände 2, die auf der Förderanlage 2 vorwärts
transportiert werden, können, beispielsweise Nockenwellen
sein, die in eine Maschine montiert werden. Die Erfindung kann jedoch
selbstverständlich prinzipiell auf beliebige Gegenstände angewendet
bzw. übertragen werden. Kommt ein zu greifender Gegenstand 2 an
dem Roboter 1 vorbei, wird der Gegenstand 2 durch
den Linienlaser 8 des Sensors 5, wie beispielsweise
in 5 und 6 gezeigt, beleuchtet. Beleuchtet
der Linienlaser 8 den Gegenstand 2, wird das Laserlicht,
auf dem Gegenstand 2 eine Kurve B bilden, wie in 6 gesehen werden
kann. Das Laserlicht wird reflektiert und durch den optischen Empfänger 9 des
Sensors 5 empfangen. Der optische Empfänger wird
anschließend ein Signal, das der Kurve B entspricht, auslesen
bzw. lesen. Der optische Empfänger ist mit einer Steuereinheit
verbunden, die eine Software umfasst, die eine virtuelle ”An-Sicht” 12 definiert.
Eine Referenzkurve C ist in der Steuereinheit 6 programmiert, die
einen Computer umfassen kann. Die Referenzkurve C entspricht einer
genauen Form der Kurve B. Ein vorher definierter Punkt auf der Referenzkurve
C ist an der Mitte der An-Sicht 12 (in der Mitte des Fadenkreuzes
in 1) angeordnet. Befindet sich der Greifer 4 in
der korrekten Position, um einen Gegenstand 2 zu greifen,
sollte sich ein vorher definierter Punkt der gelesenen/detektierten
Kurve B ebenfalls in der Mitte der An-Sicht 12 befinden.
Mit anderen Worten sollen die Kurve B und die Referenzkurve C übereinstimmen.
Der vorher definierte Punkt kann, beispielsweise, ein Maximum oder
Minimum auf der Kurve B oder der Mittelpunkt einer Kurve sein, die durch
eine gerade Linie gebildet wird. Die Position des Gegenstandes 2 wird
in ein Signal transformiert bzw. umgewandelt, das mit dem eingestellten Wert/Nominalwert
gemäß der Referenzkurve C verglichen wird. Befindet
sich der Gegenstand 2 in der korrekten Position in Bezug
auf den Greifer 4, sollte die Position der gelesenen Kurve
B mit der Position für die Referenzkurve C übereinstimmen.
In 1 ist die seitliche Abweichung in einem zweidimensionalen
Koordinatensystem als δx gezeigt. Da ein Laser verwendet
wird, besteht ebenfalls die Möglichkeit den Abstand zwischen
dem Gegenstand 2 und dem Gegenstand 2 und dem
Sensor 5 zu erfassen. Eine Abweichung von dem korrekten
Abstand wird in 1 als δy angezeigt.
Die Steuereinheit 6 wandelt die Abweichungen δx, δy
von dem eingestellten Wert in ein Signal an den Roboter 1 um,
um die Position des Roboterarms 3 in der Weise zu ändern,
dass die Abweichungen beseitigt oder auf einen Wert verringert werden,
der unterhalb eines Schwellenwertes liegt. Das reflektierte Laserlicht
wird folglich mit einer vorher definierten Reflektion verglichen,
und der Roboterarm 3 wird bewegt/verschoben bis das reflektierte
Laserlicht mit der vorher definierten Reflektion abgeglichen ist
(übereinstimmt). Eine vorher definierte Reflektion in der
Form einer Referenzkurve C wird folglich in die Steuereinheit 6 programmiert
und die Steuereinheit 6 wird angepasst/programmiert/eingerichtet,
um das Laserlicht, das von dem zu greifenden Gegenstand reflektiert
wurde, mit der vorher definierten Reflektion zu vergleichen. Der
Roboterarm 3 wird anschließend gesteuert, um sich
zu bewegen bis das reflektierte Laserlicht mit der vorher definierten
Reflektion abgeglichen ist (übereinstimmt). Die Steuereinheit 6 kann
einen Verstärker 14 zum Verstärken des
Signals umfassen, das zum Steuern des Roboters 1 an den
Roboter 1 geht.
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Wie
vorstehend dargelegt, wird die Steuereinheit 6 programmiert,
um eine Abweichung (einen Abstand) in einer Tiefe und einer seitlichen
Abweichung von dem zu greifenden Gegenstand 2 zu bestimmen
und um die Position des Roboterarms 3 derart zu berichtigen,
dass die Abweichungen beseitigt oder unterhalb einer Schwellenwertes
verringert werden. Danach wird der Gegenstand ge- bzw. ergriffen.
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Wie
in 1 gezeigt, können sich die zu greifenden
Gegenstände 2 in einem Bewegungszustand befinden.
Die Gegenstände 2 können, beispielsweise,
von einer sich bewegenden Förderanlage 11 hängen.
Alternativ, kann die Förderanlage 11 ihre Bewegung
vor dem Roboter 1 anhalten und dem Roboter 1 gestatten
einen Gegenstand zu greifen, während der Gegenstand schwingt,
was ebenfalls in 1 schematisch dargestellt ist.
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Soll
ein sich bewegender Gegenstand gegriffen werden, muss die Absetzzeit
bzw. Einschwingzeit (settling time) an bzw. in der korrekten Position
kurz sein. In 7, wird ein vorgesehener Fall
gezeigt, bei dem ein schwingender Gegenstand gegriffen werden soll.
Die Kurve F stellt eine Pendelbewegung des zu greifenden Gegenstands
dar, während die Kurve R die Bewegung des Roboterarms 3 mit
dessen Greifer 4 darstellt. Wie in der 7 gesehen
werden kann, wird ein Zustand schnell erreicht sein, an dem der Roboterarm
dem Gegenstand 2 derartig folgt, dass er den Gegenstand
in dessen Bewegung greifen kann. Es sollte klar sein, dass in diesem
Zusammenhang die ”korrekte Position” die Position
des Gegenstandes 2 ist, der gegriffen werden soll und der
sich in einem Bewegungszustand befinden kann.
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Falls
der zu greifende Gegenstand 2 sich in einem Bewegungszustand
befindet, wird durch die Steuereinheit 6, die den Roboterarm 3 führt,
die Bewegung registriert bzw. festgestellt, um dem zu greifenden
Gegenstand einfach bzw. leicht zu folgen.
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Der
erfindungsgemäße Roboter kann ebenfalls für
andere Zwecke als einem Greifen unterschiedlicher Gegenstände
verwendet werden. Hat der Roboter 1 einen Gegenstand gegriffen,
kann es geeignet sein, den Roboter den gegriffenen Gegenstand 2 in
einem/r Behälter bzw. Box oder auf einem bestimmten Träger
(nicht in den Figuren gezeigt) absetzen zu lassen, wo die Gegenstände 2 verpackt oder
in einem Zwischenlager angeordnet werden sollen. Hat der Roboter
einen Gegenstand 2 auf einem derartigen Platz abgelegt,
kann der Sensor 5verwendet werden, um eine Ablesung der
Position des Gegenstandes 2 vorzunehmen. Falls einer anschließend
feststellt, dass ein Gegenstand 2 falsch angeordnet wurde,
kann dies berücksichtigt werden, wenn der nächste
Gegenstand neben den falsch angeordneten Gegenstand angeordnet werden
soll.
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Es
wird beispielsweise angenommen, dass drei Gegenstände 2A, 2B und 2C neben-
bzw. aneinander in einem Behälter oder auf einem Träger
angeordnet werden sollen. Es wird angenommen, dass ein erster Gegenstand 2A bereits
in dessen Position angeordnet wurde. Der Roboter 1 legt
nun einen zweiten Gegenstand 2B neben den ersten Gegenstand 2A.
Darauf folgend wird der Sensor 5 aktiviert, um die Position
des zweiten Gegenstandes 2B zu überprüfen.
Falls anschließend festgestellt wird, dass der zweite Gegenstand 2B in
einer korrekten Position liegt, wird der Vorgang dadurch fortgesetzt,
dass der dritte Gegenstand 2C an einer korrekten Position
angeordnet wird. Falls jedoch festgestellt wird, dass der zweite
Gegenstand 2B in Bezug auf den ersten Gegenstand 2A seitlich
verschoben ist, besteht die Möglichkeit dies dadurch auszugleichen
dass der dritte Gegenstand 2C auf die ursprüngliche
für den zweiten Gegenstand 2B vorgesehene Stelle
angeordnet wird. Der erfindungsgemäße Roboter
kann folglich dazu verwendet werden mehrere Gegenstände
neben einander abzustellen, und durch Verwendung des Sensors 5 die
Position von jedem angeordneten Gegenstand zu überprüfen.
Basierend auf der Position von vorher abgelegten Gegenständen 2,
kann dann bestimmt werden, wo der nächste abzulegende Gegenstand
abgestellt werden soll.
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Unter
Verwendung eines Sensors mit einem Linienlaser besteht die Möglichkeit
eine Erfassung des Abstands zu den Elementen (details) zu erhalten, was
durch eine herkömmliche zweidimensionale Technologie nicht
möglich ist. Eine 2-D Kamera kann eine Detektion in einer
Ebene (seitlich und Vertikal) erreichen, während gemäß der
vorliegenden Erfindung die Möglichkeit besteht, sowohl
eine vertikale Abweichung als auch eine Abweichung in der Tiefe von
einer korrekten Position zum Greifen/Einspannen zu erfassen bzw.
detektieren. Dadurch besteht die Möglichkeit den Greifer 4 des
Roboterarms zu einer korrekten Position zum Greifen des zu greifenden Gegenstandes
wirksam auszurichten. Eine Ergreifung ist ebenfalls möglich,
wenn sich der zu greifende Gegenstand in einem Bewegungszustand
befindet.
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Da
der Sensor 5 an dem Roboterarm 3 selbst angeordnet
ist, kann die Steuerung wesentlich vereinfacht werden. Die Steuereinheit
braucht entweder für den Roboterarm 3 oder den
Gegenstand 2 nicht die genaue Position zu wissen. Es ist
ausreichend, dass die Position des Roboterarms 3 in Bezug
auf den Gegenstand 2 erstellt bzw. ermittelt werden kann,
das heißt deren relative Position in Bezug einander. Der
Industrieroboter ist folglich angeordnet/programmiert, um so gesteuert
zu werden, dass der Roboterarm 3 und dessen Greifer 4 eine
bestimmte Position in Bezug auf die Position des zu greifenden Gegenstandes
erriecht, auch wenn der Gegenstand sich in Bewegung befindet. Dies
führt zu einer schnellen und betriebssicheren bzw. verlässlichen
Steuerung, die insbesondere bedeutsam ist, wenn bewegliche Gegenstände
gegriffen werden sollen. Es sollte klar sein, dass die bestimmte
(relative) Position des Roboterarms 3 eine Zone sein kann,
in der die Abweichung von einer idealen Position unterhalb eines
Schwellenwertes liegt. Obwohl vorstehend die Erfindung mit Bezugnahme
auf einen Roboter zum Greifen von Gegenständen, ein Handlingsystem
für Gegenstände und ein Verfahren zum Greifen von
Gegenständen beschrieben wurde, sollte klar sein, dass
diese Gruppen bzw. Kategorien lediglich unterschiedliche Aspekte
von ein und derselben Erfindung wiedergeben. Folglich sind der Roboter
und das Handlingsystem dazu geeignet bzw. angepasst das erfindungsgemäße
Verfahren auszuführen, wobei das Handlingsystem einen Roboter
gemäß der Erfindung umfasst.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft einen Roboter (1) zum Greifen von Gegenständen
(2), welcher Roboter (1) einen beweglichen Roboterarm
mit einem Greifer (4) und einen Sensor (5) umfasst,
der an dem beweglichen Roboterarm (3) angeordnet ist, worin
der Sensor mit einer Steuereinheit (6) zum Steuern des
Roboterarms verbunden ist. Der Sensor (5) umfasst einen
Linienlaser (8) und einen optischen Empfänger (9),
der zum Empfangen von reflektiertem Laserlicht angeordnet ist. Die
Erfindung betrifft ebenfalls ein Handlingsystem, das einen derartigen
Roboter umfasst und ein Verfahren zum Greifen von Gegenständen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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