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Die
Erfindung betrifft ein Handhabungssystem mit einer in gewünschte
Arbeitspositionen bewegbaren, für die Zusammenwirkung mit
einem handzuhabenden Gegenstand dienenden Halteeinrichtung, die
in einen Haltekräfte an einer Angriffsstelle des Gegenstandes
erzeugenden Wirkzustand und einen die Angriffsstelle freigebenden,
unwirksamen Freigabezustand steuerbar ist.
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Handhabungssysteme
können mit Vorteil als Ersatz für die menschliche
Arbeitskraft zum Einsatz kommen, wenn es darum geht, Gegenstände
umzusetzen und/oder an genau definierten Bestimmungsorten abzusetzen.
Als Ersatz für eine manuelle Handhabung eignen sich derartige
Systeme insbesondere dann, wenn eine große Anzahl von Gegenständen
in schneller Abfolge manipuliert werden müssen, wie dies
beispielsweise bei Montagevorgängen im Zuge industrieller
Fertigung häufig der Fall ist. Wenn es sich hierbei um
Gegenstände handelt, die gegenüber mechanischen,
bei der Handhabungauftretenden Belastungen empfindlich sind, sind
derzeit übliche Handhabungssysteme nur bedingt, d. h. bei
konstruktiv aufwendig gestalteter Halteeinrichtung, einsetzbar.
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Im
Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe,
ein Handhabungssystem zur Verfügung zu stellen, das sich
bei einfacher Bau weise der Halteeinrichtung durch eine besonders schonende
Handhabung der betreffenden Gegenstände auszeichnet.
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Erfindungsgemäß ist
diese Aufgabe durch ein Handhabungssystem gelöst, das die
Merkmale des Schutzanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Danach
besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass
die beim Handhabungsvorgang zwischen dem Gegenstand und der Halteeinrichtung
wirkende Haltekraft nicht durch mechanisch erzeugte Klemmkräfte
oder Einspannkräfte gebildet ist, sondern dass durch die
flächige Anlage eines Halteelementes an einer Fläche
der Angriffsstelle des Gegenstandes Adhäsionskräfte
erzeugt werden, unter deren Einfluss der Gegenstand am Halteelement
anhaftet. Obwohl zwischen aneinanderliegenden Flächen wirkende
Adhäsionskräfte an sich schwache Kräfte
sind, ist bei entsprechender Flächengröße
die für die Handhabung erforderliche Haltekraft wirksam.
Wird durch eine Verformung des Halteelementes dessen flächige
Anlage am Gegenstand aufgehoben und dadurch die Wirkung der Adhäsionskräfte
unterbunden, ist der Gegenstand wieder frei gegeben. Im Gegensatz
zu üblichen, am betreffenden Gegenstand angreifenden Handhabungssystemen
erfolgt die Handhabung mit adhäsionsbewirkter Anhaftung
auf besonders schonende Weise, wobei gleichzeitig die Halteeinrichtung
einfach aufgebaut sein kann, im Gegensatz zu mechanischen Einrichtungen,
die, um einen möglichst schonenden Angriff am betreffenden
Gegenstand zu ermöglichen, konstruktiv aufwendig gestaltet
sein müssen.
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Bei
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist das Halteelement
durch ein folienartiges Kunststoffblatt gebildet, das eine Oberflächenstruktur besitzt,
die an der Fläche der Angriffsstelle die Adhäsion
vorwiegend durch Van-der-Waals-Kräfte erzeugt, wobei die
Steuereinrichtung eine Wölbvorrichtung aufweist, durch
die das Halteelement aus der flächigen Anlage von der Fläche
der Angriffsstelle abwölbbar ist. Obwohl Van-der-Waals-Kräfte an
sich schwache Kräfte sind, lassen sich die für
die Handhabung erforderlichen Anhaftekräfte betriebssicher
erreichen. Zudem ist bei einem Abwölben zumindest bereichsweiser
Flächenanteile ein sicheres Lösen durch Aufheben
der lediglich bei flächiger Anlage gegebenen Adhäsionskräfte
sichergestellt.
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Hinsichtlich
der Gestaltung der Steuereinrichtung für das Überführen
der Halteeinrichtung zwischen Wirkzustand und unwirksamem Freigabezustand
kann die Anordnung so getroffen sein, dass das Kunststoffblatt des
Halteelementes mit seiner von der Oberflächenstruktur abgewandten
Rückseite an einer Trägerscheibe der Steuereinrichtung
festgelegt ist, wobei die Wölbvorrichtung auf die Trägerscheibe
mechanisch einwirkt, um eine entsprechende Verformung des Halteelementes
und dessen Abwölben zur Beendigung der flächigen
Anlage zu bewirken.
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Bei
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann die
Trägerscheibe ein elastomeres Material und/oder eine Federstahlscheibe
aufweisen und durch Einwirkung der Wölbvorrichtung verformbar
sein.
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Alternativ
kann die Trägerscheibe durch eine Endfläche eines
elastomeren Tragkörpers gebildet sein, der durch die Wölbvorrichtung
derart verformbar ist, dass sich an der Endfläche eine
Wölbung ergibt.
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In
besonders vorteilhafter Weise kann die Wölbvorrichtung
durch einen elektromagnetischen, hydraulischen oder pneumatische
Antrieb, insbesondere in Form eines Linearantriebes, betätigbar
sein.
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Als
Kunststoffmaterial für das Halteelement können
mit Vorteil anorganische oder organische Elastomere, insbesondere
Polyvinylsiloxan, additionsvernetzende Silikon-Elastomere, auch
in Form von 2-Komponenten-Systemen, Polyurethane oder Acrylate vorgesehen
sein.
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In
Anlehnung an ein Beispiel in der Natur, nämlich bei den
Füßen eines Gecko-Tieres, das in der Lage ist,
aufgrund der Fußgestaltung unterhalb einer Decke oder auch
entlang von senkrecht verlaufenden Glasflächen sich zu
bewegen, kann hinsichtlich der Ausbildung der die Van-der-Waals-Kräfte
erzeugenden Oberflächenstruktur in der Weise vorgegangen
werden, wie dies in den Dokumenten
WO 2005/087033 A1 und
WO 2007/134685 A1 aufgezeigt
ist. Demgemäß kann an der die Van-der-Waals-Kräfte
erzeugenden Oberfläche des Halteelementes eine Flächenstruktur
mit mindestens 10.000, vorzugsweise ca. 30.000 stengelartigen Strukturelementen
oder mehr pro cm
2 vorgesehen sein.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im
Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematisch vereinfacht gezeichnete, perspektivische Schrägansicht
eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen
Handhabungssystems;
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2 eine
gegenüber 1 geringfügig vergrößert
gezeichnete perspektivische Schrägansicht lediglich der
Halteeinrichtung des Ausführungsbeispieles;
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3 und 4 Vorderansichten
der Halteeinrichtung von 2, wobei in 3 der
Wirkzustand und in 4 der Freigabezustand der Halteeinrichtung
dargestellt sind;
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5 eine
schematisch vereinfacht gezeichnete Vorderansicht lediglich der
wesentlichen Funktionselemente eines abgewandelten Ausführungsbeispieles
der Halteeinrichtung, dargestellt im Wirkzustand;
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6 eine
der 5 entsprechende Ansicht lediglich des Endbereiches
der Halteeinrichtung, wobei der Freigabezustand dargestellt ist;
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7 und 8 den 5 und 6 entsprechende
Darstellungen, wobei 7 den Wirkzustand und 8 den
Freigabezustand zeigen;
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9 eine
perspektivische Schrägansicht eines weiter abgewandelten
Ausführungsbeispieles der Halteeinrichtung, dargestellt
im Freigabezustand;
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10 eine
Vorderansicht des Ausführungsbeispieles von 9,
wobei der Wirkzustand dargestellt ist;
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11 eine
der 10 entsprechende Vorderansicht, wobei der Freigabezustand
dargestellt ist;
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12 eine
schematisch vereinfacht gezeichnete, perspektivische Schrägansicht
eines weiteren Ausführungsbeispieles des Handhabungssystems
mit einer den 2 bis 4 entsprechenden Halteeinrichtungen,
und
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13 in
sehr stark vergrößerter Darstellung einen Teilabschnitt
der Oberfläche eines blattförmigen Halteelementes
mit einer Van-der-Waals-Kräfte erzeugenden Oberflächenstruktur.
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Die 1 verdeutlicht
ein Ausführungsbeispiel, bei dem als Träger für
eine als Ganzes mit 2 bezeichnete Halteeinrichtung der
Arm 4 eines Industrieroboters 6 vorgesehen ist.
In an sich bekannter Weise ist durch Bewegen des Armes 4 die
Halteeinrichtung 2 in gewünschte Arbeitspositionen
innerhalb eines Arbeitsraumes bewegbar. Die beim Beispiel von 1 benutzte
Halteeinrichtung 2 ist in 2 bis 4 in
näheren Einzelheiten dargestellt. Hauptsächliches
Strukturbestandteil der Halteeinrichtung ist ein metallischer Haltebügel 8,
der U-förmig gebogen und mit seinem die U-Schenkel verbindenden Steg 10 mit
einer Endleiste 12 am Arm 4 verschraubt ist. Zwischen
den Schenkeln des Haltebügels 8 befindet sich
ein Elektromagnet 14 in Form eines Hubmagnetes für
den Antrieb der Steuereinrichtung, durch die die Halteeinrichtung 2 in
den Wölbzustand oder Freigabezustand steuerbar ist. Diese
Steuereinrichtung bildet eine Wölbvorrichtung, durch deren
Tätigkeit das eigentliche Halteelement der Halteein richtung 2 im
Sinne einer Verwölbung verformbar ist. Bei dem Halteelement
handelt es sich um ein dünnes, folienartiges Kunststoffblatt,
das wegen seiner dünnwandigen Gestalt in der vorliegenden
Zeichnung lediglich in den 5, 6, 8 sowie 13 erkennbar
ist, wo das Halteelement mit der Bezugszahl 16 bezeichnet
ist. Die einem Gecko-Fuß nachempfundene Oberflächenstruktur
des Halteelementes 16 ist lediglich in 13 verdeutlicht.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das dünne
folienartige Kunststoffmaterial auf einer elastisch nachgiebigen
Schaumschicht angeordnet, um dergestalt nachgiebig sich in besonders
guter Weise an den Konturverlauf des festzulegenden Gegenstandes
anpassen zu können. Als Schaumschicht kann insbesondere
Polyurethan- oder Polyethylenmaterial eingesetzt werden, um das bevorzugt
aus einem Polyvinylsiloxanmaterial gebildete Kunststoffblatt zu
halten.
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Bei
der Halteeinrichtung entsprechend 2 bis 4 ist
eine Trägerscheibe 18, die Teil der Steuereinrichtung
bildet, als das eigentliche Tragteil für das Halteelement 16 vorgesehen,
das an der in 2 bis 4 unten
liegenden Seite der Trägerscheibe 18 festgelegt
ist, und zwar mit seiner Rückseite, die derjenigen Seite
entgegengesetzt ist, an der sich die dem Gecko-Fuß nachgeahmte
Oberflächenstruktur befindet. Beim Beispiel von 2 bis 4 ist
die Trägerscheibe 18 aus einem elastomeren Werkstoff,
beispielsweise synthetischem Kautschuk, gebildet, wobei beim Beispiel
von 3 innerhalb der Trägerscheibe 18 eine
Federstahlscheibe 20 eingebettet ist. Die 2 und 3 zeigen
den Wirkzustand mit flacher, ebenflächiger Trägerscheibe 18 und
dementsprechend ebenflächigem Halteelement 16,
das für einen Handhabungsvorgang an einer Fläche
der Angriffsstelle eines Gegenstandes flächig, beim gezeigten
Beispiel koplanar, anliegt, so dass Van-der-Waals-Adhäsionskräfte
wirksam sind. Um die Halteeinrichtung 2 in den in 4 gezeigten
Freigabezustand überzuführen, wird die Trägerscheibe 18 und
damit das an ihr anliegende Halteelement 16 an diametral
einander gegen überliegenden Randbereichen in der Zeichnung
nach oben gewölbt, wodurch die planare Anlage des Halteelementes 16 an der
Fläche des Gegenstandes beendet wird, so dass die Van-der-Waals-Kräfte
unterbunden sind und der Gegenstand somit freigegeben ist. Um die
Trägerscheibe 18 in dieser Weise zu verwölben,
ist am Anker 22 des Hubmagneten 14 eine Zugschlinge 24 angehängt,
die an den einander diametral gegenüberliegenden Randbereichen
der Trägerscheibe 18 angreift und diese bei einem
in Richtung eines Pfeiles 26 in 4 erfolgenden
Hubes des Magnetankers 22 um ein Gegenlager 24,
das an den Enden der U-Schenkel des Haltebügels 8 befestigt
ist, nach oben zu verwölben.
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Die 5 und 6 verdeutlichen
ein abgewandeltes Beispiel, bei dem anstelle der in 2 bis 4 gezeigten
flexiblen Trägerscheibe 18 die Trägerscheibe 18 für
das Halteelement 16 durch die ebene Endfläche 30 eines
kolbenartigen Körpers 32 gebildet ist, der mittels
des Ankers 22 des Magneten 14 in Richtung der
Pfeile 26 bewegbar ist. Hierbei ist das Halteelement 16,
wie in 6 gezeigt, lediglich im Zentralbereich an der
Endfläche 30 festgelegt, während der
Außenrand des Halteelementes 16 am Umfangsrand 34 des
Steuergehäuses 36 festgelegt ist, in dem der kolbenartige
Körper 32 geführt ist. Dadurch wird,
wie in 6 gezeigt, beim Bewegen des Körpers 32 und
damit der Trägerscheibe 18 in Richtung des Pfeiles 26 das
Halteelement 16 in seinem Zentralbereich gegenüber
dem Randbereich nach oben mitgenommen und verwölbt, so
dass sich der Freigabezustand ergibt. Wie in 5 und 6 lediglich
mit gestrichelten Linien 38 angedeutet ist, könnte
bei der Führung des kolbenartigen Körpers 32 im
Steuergehäuse 36 anstelle der elektromagnetischen
Betätigung mittels des Magnetankers 22 eine hydraulische
Betätigung realisiert werden, indem an den mit gestrichelter
Linie 38 angegebenen Stellen Fluidanschlüsse ins
Gehäuse 36 vorgesehen wären, die am kolbenartigen
Körper 32 auf verschiedenen Kolbenseiten wirken,
um diesem eine Linearbewegung nach oben oder unten zu erteilen.
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7 und 8 zeigen
ein weiteres Beispiel, bei dem das Halteelement 16 ohne
zugeordnete Trägerscheibe zwischen dem Umfangsrand 34 eines
Körpers 40 aufgespannt ist, wobei der Umfangsrand 34 eine
Vertiefung 42 im Körper 40 umgibt. Bei diesem
Beispiel ist der Magnetanker 22 am Halteelement 16 unmittelbar
in dessen Zentralbereich 44 festgelegt, so dass das Halteelement 16 bei
Bewegen des Ankers 22 in der Zeichnung nach oben in die
Vertiefung 42 eingewölbt wird, um den Freigabezustand herbeizuführen.
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Die 9 bis 11 zeigen
ein weiteres Beispiel der Gestaltung der Halteeinrichtung 2,
wobei die Trägerscheibe 18 für die Anlage
des Halteelementes 16 durch einen Formkörper aus
elastomerem Werkstoff wie synthetischem Kautschuk gebildet ist. Dieser
Formkörper 46 besitzt, von der die Trägerscheibe 18 bildenden
Endfläche ausgehend, einen im Umriß im großen
Ganzen dreieckförmigen Querschnitt mit einem Mittelsteg 48,
der das Profil in zwei einander benachbarte, rechteckige Teildreiecke
unterteilt, wobei der in der Zeichnung obenliegende Scheitelbereich 50 als
Befestigungswulst gestaltet ist, an dem der Formkörper 46 angebracht
ist. Der Magnetanker 22 ist zur Betätigung der
Wölbvorrichtung über eine kniehebelartige Gelenkverbindung 52 mit
Wölbhebeln 54 verbunden. Bei Bewegen des Ankers 22 in
der Zeichnung nach unten erfolgt dadurch eine Schwenkbewegung der
Hebel 54, wobei sich deren Endkörper 56,
wie mit den Pfeilen 26 in 11 angedeutet,
gegeneinander bewegen und dadurch die Schenkel 58 des Formkörpers 46 in
der Weise verformen, wie dies in 9 und 11 gezeigt
ist, wobei sich eine entsprechende Wölbung der durch die
untere Endfläche gebildeten Trägerscheibe 18 und
des daran anliegenden Halteelementes 16 ergibt. Wie beim
Beispiel von 3 kann in der Trägerscheibe 18 und/oder
im Mittelsteg 48 eine Federstahlscheibe 20 als
Verstärkung eingebettet sein.
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Die 12 verdeutlicht
ein Beispiel, das eine Halteeinrichtung 2 mit der in 2 bis 4 gezeigten
Bauweise benutzt, wobei jedoch der die Halteeinrichtung 2 tragende
Arm 4 nicht als gelenkiger Roboterarm ausgebildet ist,
wie dies in 2 gezeigt ist, sondern wobei
der Arm 4 an einer Einstellvorrichtung in der Art eines
Verschiebeportals angebracht ist. Dieses weist einen Hauptträger 60 auf,
der mit zwei vertikalen Säulen 62 U-förmig
gestaltet ist, wobei die Säulen 62 in Führungsbahnen 64 verfahrbar
sind. An dem die Säulen 62 verbindenden Teil des
Hauptträgers 60 befindet sich eine Querführung 66,
in der ein Schlitten 68 des Armes 4 mit zur Verschieberichtung der
Führungsbahnen 64 senkrechter Verschieberichtung
verfahrbar ist.
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Die 13 zeigt
in sehr stark vergrößerter Darstellung einen Flächenabschnitt
des Halteelementes 16 mit an der Oberfläche der
wirksamen Seite eines Trägers 70 befindlichen
Strukturelementen, die so gestaltet sind, dass die Eigenschaften
eines Gecko-Fußes nachgeahmt werden, wodurch Adhäsionskräfte
bei flächiger Anlage an Oberflächen beliebiger
Art entstehen.
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Geeignete
Kunststoffmaterialien für den Träger 70 sind
anorganische und organische Elastomere, insbesondere Polyvinylsiloxan,
sowie additionsvernetzende Silikon-Elastomere, auch in der Form von
Zwei-Komponenten-Systemen, sowie Acrylate. Auch der Einsatz von
Kautschukmaterialien ist möglich.
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Besonders
günstig läßt sich die Herstellung gestalten,
wenn das jeweils verwendete Kunststoffmaterial thixotrop ist. Im
Sinne einer sich selbst abreinigenden Oberfläche hat es
sich darüber hinaus als günstig erwiesen, Kunststoffmaterialien
zu verwenden, deren Kontaktwinkel aufgrund ihrer Oberflächenenergie
für die Benetzung mit Wasser mindestens einen Wert von
größer 60 grd aufweist. Unter Umständen
läßt sich die dahingehende Oberflächenenergie
auch durch nachträgliche Beschichtungsverfahren noch weiter
verändern.
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Um
die Größen (Höhe)-Verhältnisse
des Haftelementes 16 zu verdeutlichen, ist in der 13 mit
X eine Länge bezeichnet, die der Größe
von etwa 100 μm entspricht. Im folgenden werden die geometrischen
Abmessungen der Strukturelemente angegeben, wobei die angegebenen
Größenordnungen der besseren Darstellung wegen
nicht direkt ihren Niederschlag in der 13 finden,
die insoweit nur grundsätzlich den Aufbau des Materials
wiedergibt.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform des Haftelementes 16 befinden
sich vorzugsweise mehr als 30.000 Strukturelemente auf einem cm2 Trägermaterial 70. Von
Oberseite des Trägers 70 aus gerechnet bis zum
Abschluß des Haftelementes 16 über die
plane Kopfoberseite weist jedes Element eine Höhe von etwa
100 μm auf, was dem Größenmaßstab
X nach der 13 entspricht. Die planen Kopfoberseiten
haben einen Durchmesser von etwa 50 μm und verringern sich
in Richtung zum oberen Ende des Stengelteils 72 (Gelenk)
auf eine Größe von etwa 30 μm. Insoweit
ist zwischen Kopfteil 74 und Stengelteil 72 an
der Stelle des Übergangs ein Hinterschnitt gebildet. Die
Höhe des Kopfteils 74 beträgt etwa 10 μm,
und die Größe des radialen Überstandes
von Kopfteil 74 zu oberem Ende von Stengelteil 72 beträgt
ca. 10 μm. Die Abstände zwischen den Begrenzungen
von einander benachbart gegenüberliegenden Kopfteilen 74 betragen
30 μm bis 40 μm. Der Durchmesser des Stengelteils 72 liegt
bei etwa 20 μm bis 35 μm.
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Die
dahingehenden Größenverhältnisse sind nur
beispielhaft und können im genannten Größenrahmen
geändert werden, wobei es günstig ist, dass gegenüber
den Stengelteilen 72 das Kopfteil 74 eine plane
oder geringfügig konvexe Oberfläche aufweist, die
die Wirkung von Van-der-Waals-Kräften ermöglicht,
sofern das Haftelement 16 mit einer Oberfläche beliebiger
Art in Berührung kommt. Bei dem hier großtechnisch
herstellbaren Haftelement 16 sind aufgrund der Nanogestaltung
der Strukturelemente diese mit dem bloßen Auge nicht mehr
zu erkennen, und es ist überraschend, dass aufgrund des
Haftelementeaufbaus eine sehr sichere lösbare Verhaftung über die
Van-der-Waals-Kräfte erfolgt.
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Sowohl
die Kopfquerschnitte als auch die Stielquerschnitte können
eckig, insbesondere mit einer hexagonalen Querschnittsform versehen
sein, und das Aspektverhältnis eines jeden Strukturelementes
liegt vorzugsweise zwischen 1:3 und 1:5. Die erfindungsgemäße
Lösung läßt sich auch als Mehrlagensystem
ausbilden, d. h. das Halteelement kann als stirnseitiger Bestandteil
des Mehrlagenverbundes eingesetzt werden. So kann sich beispielsweise
das Halteelement über einen elastisch nachgiebigen zellularen
Schaum an dem Trägerteil abstützen. Insgesamt
ist mit der erfindungsgemäßen Lösung
ohne Einsatz von Klebstoffen ein rückstandsfreies Handhaben
von Drittbauteilen jedweder Art, insbesondere jedoch mit glatten
Oberflächen versehen, erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/087033
A1 [0012]
- - WO 2007/134685 A1 [0012]